Цифровые Hall-effect сенсоры: Unipolar, Omnipolar, Bipolar и Latch свитчи разъяснены

Понимание Hall-effect свитчей и защелок: поляризатор, гистерезис и практические приложения

Hall-effect устройства — прецизионные компараторы магнитного поля. Они оценивают магнитную флюкс плотность — обычно называемую B-полем — против предопределенных порогов и выдают бинарный результат. Четыре главные категории цифровых (on/off) Hall сенсоров — unipolar свитчи, bipolar свитчи, omnipolar свитчи и защелки.

Перед погружением в передаточную функцию каждого типа, важно прояснить концепцию B-поля поляризации — повторяющуюся тему нашего обсуждения.

Определение B-поля поляризации

Hall сенсор инхерентно направлен; он чувствует только компоненту магнитной флюкс плотности, выравненную с его осью чувствительности. Рисунок 1 иллюстрирует оси чувствительности двух распространенных сенсорных пакетов.

Рисунок 1. Courtesy of Texas Instruments.

Если приложенное магнитное поле производит компоненту вдоль оси чувствительности, B-поле считается положительным. И наоборот, компонента, противоположная оси, — отрицательной. Рисунок 2 демонстрирует сценарий, где сенсор в локации А испытывает отрицательное B-поле.

Рисунок 2.

Предполагая, что ось чувствительности сенсора выравнена с z-осью, линии магнитного поля магнита — исходящие от северного полюса и заканчивающиеся на южном — создают отрицательное B-поле на сенсоре. Многие производители принимают конвенцию: южный полюс, обращенный к брендированному (фронтальному) лицу сенсора, генерирует положительное B-поле, в то время как северный полюс дает отрицательное B-поле. Эта конвенция держится только когда полюса магнита обращены к брендированной стороне; реверс ориентации инвалидирует ее.

Большинство Hall устройств — одномерные, чувствующие вдоль одной оси, но multi-element ICs могут предоставлять трехосевую чувствительность.

Unipolar свитчи

Рисунок 3 изображает операцию unipolar свитча.

Рисунок 3.

Их пороги — B_OP (operate point) и B_RP (release point) — лежат исключительно в положительной B-поле области. Сенсор реагирует только на южный полюс (положительное) поле; северный полюс (отрицательное) поле не имеет эффекта, отсюда термин «unipolar».

Когда северное полюс поле применяется и сила поля увеличивается в положительном направлении, сенсор остается off (logic high) до тех пор, пока приложенное B не превысит B_OP. В тот момент выход переключается на logic low. Если поле затем уменьшается, сенсор остается on до тех пор, пока B не упадет ниже B_RP, в какой точке он возвращается к logic high. Эта асимметричная пороговая настройка вводит гистерезис, предотвращая быстрые выходные флуктуации, вызванные механическими вибрациями или электромагнитным шумом, как иллюстрировано в Рисунке 4.

Рисунок 4. Без гистерезиса выход может быть неопределенным вокруг порога.

Ширина гистерезиса определяется как B_HYS = B_OP – B_RP. В зависимости от внутренней цепи сенсора, логические состояния выхода могут быть инвертированы, но поведение переключения остается идентичным.

Omnipolar свитчи

Omnipolar свитчи активируются, когда магнитуда магнитного поля превышает порог, независимо от поляризации. Рисунок 5 показывает передаточную функцию.

Рисунок 5.

Когда |B| > B_OP, сенсор включается (logic low). Когда |B| < B_RP, он выключается (logic high). Та же магнитуда B_OP и B_RP применяется к обоим положительным и отрицательным полям, предоставляя симметричную операцию.

Hall-effect защелки

Рисунок 6 иллюстрирует поведение защелки.

Рисунок 6.

Защелка фичурит положительный B_OP и отрицательный B_RP. Она включается, когда B > B_OP и выключается, когда B < B_RP. Между этими порогами — то есть гистерезис область, охватывающая B_RP до B_OP — выход остается неизменным, даже если поле проходит через ноль. Следовательно, защелка «держит» свое состояние до тех пор, пока поле противоположной поляризации и достаточной магнитуды не будет приложено.

Потому что защелка чувствует и магнитуду, и поляризацию B-поля, она идеальна для ротационных приложений, где поляризация кольцевого магнита чередуется, как показано в Рисунке 7.

Рисунок 7. Courtesy of Allegro.

Для защелок operate и release точки равны по магнитуде но противоположны по знаку (B_OP ≠ –B_RP).

Bipolar свитчи

Bipolar свитчи предоставляют максимальный B_OP и минимальный B_RP, но точные пороговые значения могут варьироваться от единицы к единице. Рисунок 8 презентует три образцовых ответа из одной производственной партии.

Рисунок 8. Courtesy of Honeywell.

Устройство 1 и Устройство 3 оба имеют пороги одинаковой поляризации (оба отрицательные или оба положительные), в то время как Устройство 2 экспонирует latch-подобный ответ с положительным B_OP и отрицательным B_RP. Согласно Allegro's «Bipolar Switch Hall-Effect IC Basics» ноте, только около 10% bipolar свитчей похожи на Устройства 1 или 3; большинство демонстрируют latch-тип поведение.

Пока bipolar свитч может предложить более узкую гистерезис-банду (B_HYS = B_OP – B_RP) и высокую чувствительность, чем защелка, его unit-to-unit вариабельность требует тщательного дизайна для обеспечения робастной операции по специфицированному пороговому диапазону.

Для более глубокого покрытия, исследуйте полную коллекцию наших технических статей.