2015년 2학기 PULSE 4 전자물리실험 06-휴대폰에 적용된 홀 Hall 센서 - DSU 메카트로닉스 융합공학부 -
1. 실험 주제 최근 출시되고 있는 스마트 폰에는 다양한 센서들이 결합되어 사용자들에게 편리함을 제공하고 있다. 그 중 홀 Hall 센서는 자기효과에 의해 작동한다. 본 실험에서는 학생들이 홀 효과의 원리를 탐구하고, 브레드보드에 홀 센서가 결합된 LED 점등회로를 구성하여, 그 동작특성을 확인해 보도록 한다.
2. 기초 이론 2.1 암페어 Ampere 법칙 직선도선에 전류가 흐를 때 도선주위에 회전하는 자기장이 유도된다. 2.2 로렌쯔 Lorentz 힘 전하(전류)가 자기장 영역에서 움직이거나 흐를 때 전하(전류)가 받는 자기력. F = I L B 전류 I 자기장 B
2.3 홀 Hall 효과 도선에 전류가 흐를 때 전하가 자기력을 받아 도선 양단에 전압이 발생한다. 외부 자기 접근 전자에 자기력 발생 전자들이 오른쪽으로 쏠림 전압 발생
2.4 홀 Hall 효과 센서 자기 센서는 자기신호의 입력을 전기신호로 변환시켜 준다. 위치, 거리, 속도 센서, 및 ABS 브레이크 시스템에도 사용되고 있다. 홀 효과 센서는 기본적으로 일정한 전류가 흐르는 GaAs나 InSb, InAs와 같은 얇은 p형 반도체로 구성된다. 홀 전압은 일반적으로 전면에 S극을 접근시켰을 때 전위차가 발생하도록 제작되고 있다. 출력 전압은 반도체를 통과하는 자기장의 세기에 비례하며 크기는 ~μV이다. 상용화된 홀 효과 센서는 DC 증폭기, 논리회로, 전압 조정기(voltage regulators)를 내장하고 있어, 센서의 감도와 출력전압을 향상시키고 있다. 전면 후면
2.5 홀 Hall 효과 센서의 응용 홀 효과 센서는 영구자석을 이용하여 다양한 장치에 응용될 수 있으며, 자석의 움직임에 따라 두 가지 유형으로 구분된다. 첫 번째는 head-on 유형으로, 자석의 움직임이 홀 효과 센서에 대해 전후 방향으로 움직일 때 작동한다. 자석의 움직임에 따라 VH 값이 변하므로, 거리의 변화를 감지하는 위치 센서로 쓰일 수 있다. 두 번째는 sideways detection 유형으로, 자석의 움직임이 홀 효과 센서의 옆방향 움직임을 감지하여 동작하게 된다. 자석의 회전수나 회전 속도를 측정하는 데 응용될 수 있다.
3. 실험 장비 및 부품 실험장비 디지털 멀티미터 1대 직류전원공급기 (9V) 부품 홀 효과 센서 쌍극형 bipolar type 1개 트랜지스터 2N3906 저항 220[Ω] 510[Ω] 1[kΩ] 가변저항 1[kΩ] LED RED 막대자석 부저 동작전압 9V
4. 실험 절차 홀 효과 센서를 그림과 같이 브레드보드에 연결한다. E, B, C 핀 번호에 주의한다. 9V 전압을 인가하고, 홀 센서에 자석의 S극을 접근시켜 LED의 점등을 확인해 본다. +Vcc Vout GND Hall Effect Sensor
(3) 홀 센서의 전면에 S극을 접근시켰을 때 LED가 켜짐을 확인한다. (4) 홀 센서의 전면에 N극을 접근시켰을 때 LED가 꺼짐을 확인한다.
S극 접근 홀 전압 발생 Vout에 전압 출력 Base에 전류 흐름 E-C ON LED ON 5. 회로 해석 +Vcc Vout GND B E C S극 접근 홀 전압 발생 Vout에 전압 출력 Base에 전류 흐름 E-C ON LED ON
6. 보고서 암페어의 법칙에 대해 설명하시오. 로렌쯔의 힘에 대해 설명하시오. 홀 효과에 대해 설명하시오. 홀 효과 센서의 응용에 대해 설명하시오. 회로도를 첨부하시오. 브레드보드에 구성한 회로 사진을 첨부하시오. 자석의 S극을 접근시켰을 때 LED가 켜진 사진을 첨부하시오. 자석의 N극을 접근시켰을 때 LED가 꺼진 사진을 첨부하시오.