Efek Hall

EFEK HALL

A.      Sejarah Efek Hall

Pertama kali efek hall ditemukan oleh Dr. Edwin Hall pada tahun 1879 ketika beliau sedang mengambil gelar doktoralnya di Universitas Johns Hopkins di Baltimore. Dr. Hall menemukan bahwa jika sebuah magnet diletakan dan medan magnet tersebut tegak lurus dengan suatu permukaan pelat emas yang dialiri arus, maka timbul beda potensial pada ujung-ujung yang berlawanan. Beliau menemukan bahwa tegangan yang terjadi sebanding dengan besarnya arus yang mengalir dan densitas fluks atau induksi magnet yang tegak lurus tehadap pelat. Walaupun eksperimen Hall berhasil dan dapat diterima pada saat itu, belum ada aplikasi yang menggunakan efek hall sampai 70 tahun setelahnya.

Efek hall adalah suatu peristiwa berbeloknya aliran listrik (elektron) dalam pelat konduktor karena adanya pengaruh medan magnet. Ketika ada arus listrik yang mengalir pada devais efek hall yang ditempatkan dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus arus listrik, pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu sisi dan menghasilkan medan listrik. Medan listrik terus membesar hingga gaya Lorentz yang bekerja pada partikel menjadi sama dengan nol. Perbedaan potensial antara kedua sisi devais tersebut disebut potensial hall. Potensial hall ini sebanding dengan medan magnet dan arus listrik yang melalui devais. Berarti dalam menentukan besar potensial hall sangatlah bergantung pada besarnya medan magnet yang mengalir dalam rapat arus I yang dilewatkan dalam bahan konduktor.

Konstanta hall pada setiap bahan akan berbeda termasuk pada perak dan wolfram, konstanta hallnya akan berbeda. Dan adapun yang menyebabkan harga konstanta hall perak dan wolfram berbeda adalah karena jenis pembawa muatan yang berbeda, jika perak jenis pembawa muatannya adalah positif (hole) sedangkan wolfram jenis pembawa muatan negatif (elektron).

Gaya pada muatan bergerak dalam sebuah konduktor yang berada dalam medan magnet diperagakan oleh efek hall yakni sebuah efek yang analog dengan pembelokan transversal dari sebuah sinar elektron dalam sebuah medan magnet dalam ruang hampa.

B.       Prinsip Kerja Efek Hall

Gaya Lorentz adalah prinsip kerja utama dari efek hall. Sebuah penghantar konduktor berbentuk pelat dialiri arus I, seperti pada gambar 1 telihat bahwa muatan positif begerak ke arah kanan menuju kutub negatif dari sumber arus, sedangkan muatan negatif bergerak lurus ke arah kiri menuju kutub positif sumber arus. Oleh karena itu tidak ada beda potensial pada ujung-ujung pelat konduktor. Bila pelat penghantar diberi medan magnet, sepeti pada gambar 2, yang arahnya tegak lurus arus ke arah dalam, maka muatan pada pelat konduktor akan mengalami gaya Lorentz sebesar . Muatan positif akan mengalami gaya Lorentz ke arah atas seperti gambar 2 (a), maka pada bagian atas pelat konduktor seolah-olah akan berjajar muatan positif (kutub positif), sedangkan muatan negatif akan mengalami gaya Lorentz ke arah bawah seperti gambar 2 (b), maka pada bagian bawah pelat konduktor seolah-olah akan bejajar muatan negatif (kutub negatif). Oleh karena itu akan timbul medan listrik dan beda potensial pada penghantar. Besarnya beda potensial ini merupakan tegangan hall (V_H) nilai V_H ini dapat dinyatakan dengan:

dengan:

I    = Arus listrik yang mengalir pada konduktor (Ampere)

B  = Besarnya medan magnet (Tesla)

n   = Densitas muatan

q   = Besarnya muatan (Coloumb)

W = Tebal pelat penghantar (Meter)

Semua peralatan efek hall diaktifkan oleh adanya medan magnet. Medan magnet mempunyai dua karakteristik yang penting yaitu densitas fluks dan polarita. Kebanyakan dari saklar digital efek hall dirancang akan mati jika tidak ada medan magnet (rangkaian terbuka pada keluaran). Saklar akan aktif jika hanya dikenai medan yang memiliki densitas yang cukup dan arah yang tepat.

Untuk mengoprasikannya, garis fluks magnet harus tagak lurus pada permukaan paket sensor, dan harus memiliki polaritas yang tepat. Salah satu contoh sensor efek hall adalah IC efek hall dengan tipe UGN3503 yang merupakan tipe sensor efek hall linier. IC ini memiliki tiga pena komponen inetrnal yang terdiri dari elemen sensor efek hall, amplifier dan buffer, semuanya dalam satu chip. Sensor ini memberikan tegangan keluaran yang sebanding dengan densitas medan magnet. Keluaran sensor pada saat medan magnet masukkannya 0 gauss adalah setengah dari V_cc. Untuk medan positif (kutub selatan), semakin besar medan maka tegangan keluarannya juga semakin besar dan untuk medan negatif (kutub utara) semakin besar medan maka tegangan keluarannya akan semakin kecil.

Tegangan hall adalah tegangan low-level signal yaitu 30 mV dalam keadaan ada medan magnet sebesar 1 gauss. Oleh karena itu dalam aplikasinya dibutuhkan amplifier untuk menguatkan sinyal tegangan hall agar bisa diproses ke tahap berikutnya seperti ADC (analog to digital converter).

Jika pembawa muatan adalah elektron maka muatan lebih negatif menumpuk di sisi atas plat dan meninggalkan muatan lebih positif di sisi bawah, sampai gaya elektrostatik transversal F_-zc=eE dalamkonduktor sama dengan gaya magnetik F_z. Karena arus transversal akhir sama dengan nol, maka konduktor itu berada pada ”rangkaian terbuka” dalam arah transversal, dan beda potensial antara tepi-tepi lempeng, yang dapat diukur dengan potensiometer, sama dengan ggl hall dalam lempeng. Penelitian tentang ggl hall ini banyak menghasilkan penjelasan mengenai proses konduksi. Terbukti bahwa untuk logam, tepi atas lempeng menjadi bermuatan negatif relatif terhadap tepi bawah, yang menguatkan keyakinan kita bahwa yang membawa muatan dalam logam ialah elektron negatif.

C.       Analog Output Sensor

Adanya kutub medan magnet yang berbeda menyebabkan output dari amplifier berbeda pula, bisa positif dan negatif. Oleh karena itu dibutuhkan power supply positif dan negatif. Untuk menghindari kebutuhan dari power supply ini, maka nilai offset atau bias dibuat alam differensial amplifier. Ketika tidak ada medan magnet output tegangan tidak sama dengan nol, ini disebut sebagai null voltage. Nilai inilah yang menjadi standar nol dari sensor hall. Ketika ada medan magnet positif, tegangan output naik dari null voltage. Sebaliknya, ketika ada medan magnet negatif, tegangan output menurun dari null voltage, tetapi sisanya positif. Kanaikan atau penurunan arus adalah linier. 

D.      Akibat Adanya Arus Dalam Kawat Lurus

Satu bulan setelah Oersted mengumumkan penemuannya bahwa jarum kompas disimpangkan oleh arus listrik, Jean Baptiste Biot dan Felix Savart mengumumkan hasil-hasil pengukuran mereka tentang gaya pada magnet di dekat kawat panjang yang membawa arus listrik dan menganalisis hasil ini terhadap besaran medan magnetik yang dihasilkan oleh setiap elemen arus tadi. Andre Marie Ampere memperluas percobaan ini dan menunjukan bahwa elemen arus juga mengalami gaya ketika berada dalam medan magnetik dan bahwa dua arus akan saling memberikan gaya.

Arah medan magnetik elemen  di P akibat elemen ini adalah arah dari . Medan magnetik akibat seluruh elemen arus kawat tersebut kawat berada dalam arah yang sama. Medan akibat elemen arus yang ditunjukan gambar 5 memiliki besaran;

Untuk mendapatkan nilai medan magnet total akibat elemen arus pada titik P, maka dilakukan operasi integral pada rumusan di atas. Dengan menggunakan modifikasi matematika diperoleh nilai total medan magnet di titik P adalah sebagai berikut:

Pada sembarang titik dalam ruang, garis-garis medan magnetik akibat sembarang kawat panjang, lurus, yang mengalirkan arus ternyata menyinggung suatu ligkaran yang berjari-jari R, dengan R merupakan jarak tegak lurus dari kawat ke titik medan tersebut. Arah B dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan.

E.       Penguat Sinyal Tegangan (OP-AMP)

Sinyal output dari sensor hall sangat kecil dan memiliki noise yang cukup besar. Untuk dapat diolah pada proses selanjutnya misalnya sseperti input pada Analog to Digital, maka dibutuhkan rangkaian yang mampu menguatkan sinyal tegangan output sensor, mengatur range tegangan dan menghasilkan sinyal linier serta bebas noise. Rangkain seperti ini disebut sebagai Op Amp.

·         Differensial Amplifier

Differensial Amplifier adalah suatu rangkaian penguat differensial yang memiliki kemampuan khusus untuk menerima input dengan impedansi yang rendah, memiliki penguatan yang stabil dan dapat dengan mudah diatur penguatannya dengan menggunakan sebuah resistor.

Differensial Amplifier berfungsi untuk menguatkan perbedaan input antara dua sinyal yang  berbeda. Rangkaian penguat differensial terdiri dari empat buah resistansi yang sama besar dan sebuah penguat operasional.

·         Rangkaian Non Inverting Amplifier

Rangkaian non inverting amplifier berfungsi untuk merubah range tegangan menjadi yang diinginkan. Rangkaian non inverting amplifieri berfungsi untuk mengatur tegangan output minimum dari transduser agar sesuai dengan tegangan yang dibutuhkan oleh rangkaian berikutnya

·         Rangkaian Penyangga (Buffer)

Rangkain buffer berfungsi untuk menampung data yang akan ditransfer dari atau ke perangkat masukan atau keluaran dan penyimpan sekunder. Buffer dapat mengurangi frekuensi pengaksesan dari atau ke perangkat masukan atau keluaran dan penyimpan sekunder sehingga meningkatkan kinerja sistem. Buffer membuat impedansi input yang tinggi menjadi rendah dan dapat menguatkan arus. Buffer memisahkan atau memberdayakan sinyal sumber dari sinyal beban. Rangkaian buffer adalah rangkaian non onverting dengan gain = 1.

Gambar 8. Rangkaian buffer

·         Absolute Value output Circuit

Tegangan output dari sensor dapat turun dan naik dari null voltage. Jika sensor didekatkan ke kutub negatif magnet maka output tegangannya akan menurun. Ini menyebabkan selisih antara offset tegangan dan keluaran sensor menjadi negatif. Absolute value output circuit berfungsi untuk membuat output tegangan sensor tetap positif. Rangkaian absolute value output circuiti juga bisa berfungsi sebagai penyearah arus.

Gambar 9. Absolute value output circuit

F.        Daftar Pustaka

Suryono, R. Agus & E. S. Jatmiko. Karakterisasi Sensor Magnetik Efek Hall UGN3503 Terhadap Sumber Magnet dan Implementasinya pada Pengukuran Massa. Vol 12 No 1. 2009.