홀 효과와 홀 효과 센서의 작동 원리 완벽 이해

이 튜토리얼에서는 홀 효과가 무엇인지, 홀 효과 센서가 어떻게 작동하는지 배워보겠습니다. 아래 영상을 시청하거나 작성된 튜토리얼을 읽어보세요.

개요

홀 효과는 자기장을 측정하는 가장 일반적인 방법이며, 홀 효과 센서는 매우 대중적이고 현대적인 수많은 응용 분야에 쓰입니다. 예를 들어 차량의 휠 속도 센서, 크랭크축 또는 캠축 위치 센서로 사용되며, 스위치, MEMS 나침반, 근접 센서 등으로도 널리 활용됩니다. 이러한 센서들의 작동 방식을 살펴보기 전에 먼저 홀 효과가 무엇인지 설명하겠습니다.

홀 효과란 무엇인가?

홀 효과를 설명하는 실험입니다: 얇은 도전성 판이 있고 여기에 전류를 흐르게 하면, 전하 운반체(전자나 정공)가 판의 한 쪽에서 다른 쪽으로 직선으로 흐릅니다.

이제 판 근처에 자기장을 가져오면 로렌츠 힘(Lorentz Force) 때문에 전하 운반체의 직선 흐름이 방해받습니다. 이 경우 전자는 판의 한쪽으로, 정공은 다른 쪽으로 편향됩니다. 따라서 판의 다른 양쪽에 측정기를 연결하면 측정 가능한 전압이 나타납니다.

이렇게 측정 가능한 전압이 발생하는 현상을 1879년 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견하여 홀 효과(Hall Effect)라고 부릅니다.

홀 효과 센서

홀 효과 자기 센서의 기본 홀 소자(Hall Element)는 가우스당 불과 몇 마이크로볼트의 매우 작은 전압만 제공하므로, 보통 내장형 고이득 증폭기와 함께 제조됩니다.

홀 효과 센서는 아날로그 출력형과 디지털 출력형 두 가지가 있습니다. 아날로그 센서는 전압 레귤레이터, 홀 소자, 증폭기로 구성됩니다. 회로도를 보면 센서 출력이 아날로그이며 홀 소자 출력, 즉 자기장 세기에 비례합니다. 이러한 센서는 연속적인 선형 출력 덕분에 근접 측정에 적합합니다.

반면 디지털 출력 센서는 'ON' 또는 'OFF' 두 가지 출력 상태만 제공합니다. 이 센서에는 추가 소자인 슈미트 트리거(Schmitt Trigger)가 있어 히스테리시스(두 개의 서로 다른 임계값)를 제공하여 출력이 하이 또는 로우 둘 중 하나가 되게 합니다. 슈미트 트리거 작동 원리에 대한 자세한 내용은 별도 튜토리얼을 참조하세요.

이 유형의 센서 예로 홀 효과 스위치가 있습니다. 3D 프린터와 CNC 기계의 리미트 스위치, 산업 자동화 시스템의 검출 및 위치 결정용으로 자주 쓰입니다.

이 센서들의 또 다른 현대적 응용으로는 휠/로터 속도 또는 RPM 측정, 엔진 시스템에서 크랭크축이나 캠축 위치 결정이 있습니다. 이 센서들은 홀 소자와 영구 자석으로 구성되어 회전축에 부착된 톱니 디스크 근처에 배치됩니다.

센서와 디스크 톱니 사이의 간격이 매우 작아 톱니가 센서 근처를 지날 때마다 주변 자기장이 변하고, 이로 인해 센서 출력이 하이 또는 로우로 바뀝니다. 따라서 센서 출력은 펄스 파형이 되어 회전축의 RPM을 쉽게 계산할 수 있습니다.