Основы цифровых магнитных датчиков

Цифровой магнитный датчик - это устройство, в котором выходной сигнал переключается между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ в результате наличия внешнего магнитного поля. Устройства этого типа, основанные на физическом принципе эффекта Холла , широко используются в качестве датчиков приближения, определения местоположения, скорости и тока. В отличие от механического переключателя, они являются долговечным решением, поскольку не подвержены механическому износу и могут работать даже в особо критических условиях окружающей среды. Цифровые магнитные датчики становятся все более и более распространенными, особенно в секторах автомобильной и бытовой электроники, благодаря таким функциям, как бесконтактная работа, отсутствие технического обслуживания, надежность и устойчивость к вибрациям, пыли и жидкостям.

Например, в автомобильном секторе эти датчики используются для определения положения, расстояния и скорости. Внутри двигателя они используются для определения положения коленчатого вала, в салоне они используются для определения положения сидений и ремней безопасности (основная информация по работе системы управления подушками безопасности), а на колесах они определить скорость вращения, необходимую для АБС.

Принцип работы

Сердцем каждого магнитного датчика является элемент Холла, выходное напряжение которого (также называемое напряжением Холла и обозначенное как V _H ) прямо пропорциональна напряженности магнитного поля, проходящего через полупроводниковый материал. Поскольку это напряжение очень низкое, порядка нескольких микровольт, необходимо включить в конструкцию другие компоненты, такие как операционные усилители, компараторы напряжения, регуляторы напряжения и выходные драйверы. В зависимости от типа выхода магнитные датчики делятся на линейные, в которых аналоговое выходное напряжение линейно зависит от напряженности магнитного поля, и цифровые, в которых выход может принимать только два состояния. В обоих случаях V _H напряжение удовлетворяет следующему уравнению:

V _H =R _H · ((B · I) / т)

где:V _H напряжение Холла в вольтах, R _H - коэффициент эффекта Холла, I - ток, протекающий через датчик в амперах, t - толщина датчика в мм, а B - плотность магнитного потока в теслах. Рисунок 1 показывает блок-схему типичного линейного датчика Холла, а диаграмма на рис. 2 относится к цифровому датчику. Элемент Холла представлен на рис. 1 . квадратной рамкой с символом «X», и, в зависимости от типа, датчик может включать в себя несколько ячеек одного и того же типа (две необходимы для обнаружения дифференциальных магнитных полей, три - для определения направления или движения). Для увеличения гибкости интерфейса аналоговый датчик обычно включает в себя открытый эмиттер, открытый коллектор или двухтактный транзистор, подключенный к выходу дифференциального усилителя. Основное отличие двух схем состоит в том, что датчик с цифровым выходом включает триггер Шмитта со встроенным гистерезисом, подключенный к операционному усилителю.

Когда магнитный поток, проходящий через датчик, превышает определенный порог, выход переключается с ВЫКЛ на ВКЛ. Гистерезис используется для устранения любых колебаний выходного сигнала, когда датчик входит и выходит из магнитного поля. Устройства на эффекте Холла делятся на однополярные и биполярные датчики. Биполярным датчикам требуется положительное магнитное поле (южный полюс) для работы и отрицательное магнитное поле (северный полюс) для срабатывания. Для униполярных датчиков требуется один магнитный полюс (южный полюс) как для работы, так и для разблокировки. Кроме того, датчики обычно предназначены для выдачи выходного сигнала в выключенном состоянии (разомкнутой цепи) в отсутствие электромагнитного поля и выхода во включенном состоянии (замкнутой цепи), когда они подвергаются воздействию магнитного поля достаточной интенсивности и с правильным полярность.

Приложения

Независимо от конкретного типа применения, фундаментальное требование для правильной работы датчиков Холла состоит в том, чтобы линии магнитного потока всегда были перпендикулярны поверхности датчика и имели правильную полярность. Цифровые магнитные датчики используются во многих областях, включая автомобилестроение, бытовую электронику, электромедицинские системы, телекоммуникации, управление производственными процессами. Датчики положения используются для обнаружения скользящего движения между магнитом и датчиком, при этом два элемента расположены на очень коротком расстоянии. Относительное движение между магнитом и датчиком создает положительное магнитное поле, когда датчик движется к югу, и отрицательное магнитное поле, когда датчик движется к северному полюсу.

Для определения положения доступны несколько методов:например, если приложение требует ограниченного и дискретного положения, можно использовать простые переключатели, а для приложений, требующих большей точности, можно использовать линейное устройство в сочетании с микропроцессором. Датчики положения или приближения также могут использоваться для контроля уровня жидкости в бытовых приборах, таких как стиральные или посудомоечные машины. В этом случае используются несколько переключателей Холла в сочетании с магнитом, помещенным на поплавок.

Когда поплавок поднимается внутри трубы, соответствующие дискретные переключатели, расположенные вне корпуса, активируются, обеспечивая цифровую индикацию уровня воды. Другое важное применение касается бесщеточных двигателей постоянного тока, скорость которых регулируется посредством электрической, а не механической коммутации. Для этого на статоре двигателя расположены три цифровых магнитных датчика, а на валу ротора - постоянные магниты. Автомобильный сектор стал лидером на мировом рынке датчиков магнитного поля, на него приходится более 40% доли рынка. Растущий спрос на интеграцию нескольких функций безопасности в автомобили создал возможность для датчиков Холла, используемых в нескольких приложениях, связанных с безопасностью, таких как электронная система контроля устойчивости (ESC) и антиблокировочная тормозная система (ABS).

Примером цифровых магнитных датчиков для определения положения является семейство устройств Allegro MicroSystems A1210-A1214. Датчики серии A121x, имеющие сертификат AEC-Q100 для автомобильных приложений, обладают высокой надежностью, стабильной и непрерывной работой в расширенном температурном диапазоне, надежными характеристиками электромагнитной совместимости и высоким уровнем защиты от электростатических разрядов. Защелки с эффектом Холла A1210-A1214 включают в себя следующее на одном кремниевом кристалле:регулятор напряжения, генератор напряжения Холла, усилитель слабого сигнала, триггер Шмитта и выходной транзистор NMOS.

Выход этих устройств переключается на низкий уровень (включается), когда магнитное поле, перпендикулярное элементу Холла, превышает порог точки срабатывания. Датчик имеет фиксирующее действие, то есть южный полюс достаточной силы включает устройство, и он остается включенным также после удаления южного полюса. Когда магнитное поле уменьшается ниже точки срабатывания, выходной сигнал датчика становится высоким (отключается). Разница в точках срабатывания и срабатывания магнита - это гистерезис устройства.

Магнитные датчики также подходят для точного определения углового положения. Примером может служить магнитный энкодер AMS AS5048A / AS5048B, датчик, обеспечивающий 14-битный выходной сигнал высокого разрешения для определения углового положения на 360 °. На рисунке 3 показаны основные функциональные блоки устройства:датчик Холла, аналого-цифровой преобразователь и цифровая обработка сигналов. Абсолютное положение магнита доступно напрямую через выход ШИМ и может быть получено через стандартный SPI или высокоскоростной интерфейс I²C, в зависимости от версии. Нулевая позиция может быть запрограммирована с помощью команды SPI или I²C, что упрощает всю систему, поскольку магнит не требует механической юстировки. Датчик допускает перекосы, колебания воздушного зазора, изменения температуры и внешнего магнитного поля. Надежность, прочность и широкий диапазон температур делают его идеальным для измерения угла поворота в суровых промышленных и медицинских условиях.

Заключение

Цифровые магнитные датчики на эффекте Холла хорошо известны конструкторам своей прочностью, долговечностью и надежной работой для любых приложений определения положения. Будь то простое обнаружение закрытия крышки ноутбука или выполнение сложной коммутации двигателя и точное измерение положения, датчики на эффекте Холла будут определять положение с исключительной точностью даже в самых суровых условиях окружающей среды.

С. Ловати, инженер-электронщик и технический автор