2015년 2학기 PULSE 4 전자물리실험 06-휴대폰에 적용된 홀 Hall 센서 - DSU 메카트로닉스 융합공학부 -

1. 실험주제 최근 출시되고 있는 스마트 폰에는 다양한 센서들이 결합되어 사용자들에게 편리함과 함께 특별한 경험을 제공하고 있다. 그러한 센서들 중에서 홀 Hall 센서는 자석의 자기효과에 의해 작동하며 이는 홀 효과의 원리를 응용한 것이다. 본 실험에서는 학생들이 홀 효과의 원리를 탐구하고 주어진 브레드 보드에 홀 센서가 결합된 LED 점등회로를 구성하여 동작특성을 확인해 보도록 한다. 2. 실험 관련 기초 이론 2.1 암페어 Ampere 법칙 직선도선에 전류가 흐를 때 도선주위에 회전하는 자기장이 유도 되어진다. 전류 I 자기장 B

2.2 로렌쯔 Lorentz 힘 전하(전류)가 자기장 영역에서 움직이거나 흐를 때 전하(전류)받는 자기력 전하 q가 받는 힘 F= BIL 전류 I가 받는 힘

2.3 홀 Hall 효과 도선에 전류가 흐를 때 외부 자기장에 의해 흐르는 전자가 자기력을 받아 도선 양단에 전압 차가 발생한다. 외부 자기 접근 전자에 자기력 발생 전자들이 오른쪽으로 쏠림 전압 차 발생 홀 효과를 통해 실제 도선 내부에서 움직이는 전하가 전자 electron 임을 알 수 있었다.

2.4 홀 Hall 효과 센서 일반적인 자기 센서는 자기신호의 입력을 전기 신호로 변환 시키는 작동을 한다. 주로 위치나 거리, 속도 센서로서 사용되고 있으며 자동차의 ABS 브레이크 시스템에도 사용되고 있다. 그 중에서 자기장의 밀도를 함수로 출력 신호를 제어하는 센서로서 홀 효과 센서가 있다. 홀 효과 센서는 기본적으로 일정한 전류가 흐르는 GaAs나 InSb, InAs와 같은 얇은 p형 반도체로 구성된다. 외부 자기장의 변화가 발생할 경우 반도체 내의 전자와 정공은 로렌쯔 힘에 의해 반도체의 양쪽 편에 각각 모이게 된다. 이 때 반도체 사이 전자와 정공에 의해 홀 전압 Hall Voltage VH를 생성한다. 홀 전압은 일반적으로 S극에 의해 전위차가 발생하도록 제작되고 있다. 출력 전압은 반도체를 통과하는 자기장의 세기에 비례하며 (출력 ∝ H) 수 μV로 매우 작은 전압크기를 가지므로 상용화된 홀 효과 센서의 경우 DC 증폭기(amplifiers), 논리회로(logic switching circuits, 전압 조정기(voltage regulators)가 내장되어 센서의 감도와 출력전압을 향상시키고 있다.

2.5 홀 Hall 효과 센서의 응용 홀 효과 센서는 영구자석을 이용하여 다양한 장치에 응용되어 질 수 있으며 자석의 움직임에 따라 크게 2가지 유형으로 구분 할 수 있다. 첫 번째 head-on 유형으로 자석의 움직임이 홀 효과 센서에 대해 전후 방향의 움직임을 보이는 경우의 동작에 따라 작동하게 된다. 자석의 움직임에 대해 VH 값이 변하므로 이를 응용하면 거리의 변화를 감지하는 위치 센서로 쓰일 수 있다. 두 번째는 sideways detection 유형으로 자석의 움직임이 홀 효과 센서의 옆방향 움직임을 감지하여 동작하게 된다. 이 경우 자석의 회전수나 회전 속도를 측정하는데 응용되어 질 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 (1) 홀 효과 센서를 그림과 같이 브레드 보드에 연결한다. 이때 트랜지스터의 이미터(E), 베이스(B), 그리고 콜랙터(C)를 확인하여 잘 연결될 수 있도록 한다. +Vcc Vout GND Hall Effect Sensor ※ 주의사항 - LED 극성을 확인하여 연결한다. - 트랜지스터의 E, B, C 핀연결에 주의한다. - 전원은 제일 마지막에 연결한다. (2) 단자들을 연결하였으면 9V DC 전원의 (+)극과 (–)극을 확인하여 회로에 입력하고 아래 그림과 같이 홀 센서에 자석의 S극을 접근시켜 LED의 점등을 확인해 본다.

(3) 홀 센서의 Vout과 GND 단자에 전압을 확인하여 S극이 접근할 때 전압이 ZERO가 됨을 확인해 본다. (4) 자석의 N극을 홀 센서에 접근시켜 LED의 점등을 확인해 본다.

(5) LED 대신 부저를 연결하고 220Ω의 저항 대신 가변저항 1kΩ을 연결한다. (6) 홀센서에 S극을 접근시킨 후 가변저항을 조절하여 부저에서 발생하는 적당한 세기의 음량을 정한다. (7) 홀 센서에 N극과 S극을 번갈아 접근시킴에 따라 부저가 on/off 됨을 확인해 본다.

6. 결과 보고서(PPT) 실험제목 목적 실험부품(사진) 실험방법 실험결과(장치도/결과를 휴대폰을 이용하여 사진을 찍는다.) 실험 결과 1 – LED 점등 실험 결과 2 – 부저 작동