Цифровые (ВКЛ / ВЫКЛ) устройства на эффекте Холла:переключатели и защелки

В этой технической статье вы узнаете о полярности B-поля, униполярных переключателях, многополярных переключателях, защелках на эффекте Холла и биполярных переключателях.

Переключатели и защелки на эффекте Холла являются компараторами магнитного поля. Они сравнивают плотность магнитного потока, иногда называемую B-полем, с некоторыми заранее заданными пороговыми значениями и выводят результат сравнения в виде 1-битного цифрового значения. Существует четыре различных категории цифровых (двухпозиционных) датчиков Холла:униполярные переключатели, биполярные переключатели, многополюсные переключатели и защелки.

Мы подробно рассмотрим передаточную функцию каждого типа. Но перед этим я хотел бы прояснить важную концепцию, которая будет обычно использоваться в нашем обсуждении:полярность плотности магнитного потока.

Как определить полярность B-поля?

Устройство на эффекте Холла является направленным. Он воспринимает только ту составляющую плотности магнитного потока, которая находится вдоль оси его чувствительности. На рисунке 1 показана ось чувствительности двух обычных корпусов устройств Холла.

Рисунок 1. Изображение любезно предоставлено Texas Instruments.

Если магнитное поле, приложенное к устройству, создает компонент в направлении оси чувствительности, B-поле считается положительным. Если поле создает компонент в направлении, противоположном оси чувствительности, предполагается, что он отрицательный. На рисунке 2 показан пример, в котором плотность магнитного потока имеет отрицательную полярность в месте расположения датчика (A).

Рисунок 2

В приведенном выше примере мы предполагаем, что ось чувствительности устройства расположена в направлении оси z. Поскольку силовые линии магнитного поля магнита идут от северного полюса к южному полюсу, B-поле, воспринимаемое устройством, является отрицательным.

Существует также соглашение относительно полярности B-поля, которое обычно используется производителями датчиков Холла. Они считают магнитное поле, создаваемое южным полюсом магнита, положительным, а магнитное поле северного полюса - отрицательным. Это основано на предположении, что маркированная поверхность датчика обращена к магниту. Маркированная поверхность - это передняя поверхность датчика, на которой вы можете найти номер детали устройства и т. Д. Рассматривая оси чувствительности, показанные на рисунке 1, вы можете убедиться, что если приложить южный полюс магнита к маркированной поверхности датчика, создастся магнитное поле в направлении оси чувствительности (положительное поле). Точно так же северный полюс создаст отрицательное магнитное поле. Если мы поместим полюса магнита на тыльную сторону упаковки сенсора (а не на фирменную лицевую сторону упаковки), вышеуказанное соглашение больше не будет действовать!

И последнее примечание, завершающее обсуждение:многие устройства Холла одномерные и воспринимают B-поле только по одной оси чувствительности (например, те, что показаны на рисунке 1). Однако существуют более сложные ИС датчиков, в которых используется более одного элемента Холла для поддержки трех осей чувствительности (трехмерный датчик). Теперь давайте рассмотрим передаточную функцию различных типов цифровых (двухпозиционных) устройств Холла.

Униполярные переключатели

Функциональные возможности униполярного переключателя показаны на рисунке 3.

Рисунок 3

Это устройство называется униполярным переключателем, потому что его пороги переключения (B _RP и B _OP ) находятся в положительной области оси B-поля. Состояние выхода может измениться только в ответ на поле южной полярности. Поле северной полярности или отрицательное поле не влияет на датчик; объясняя название «униполярный переключатель».

Посмотрим, как устройство реагирует на изменение магнитного поля. Предположим, что к датчику приложено поле северной полярности, и мы постепенно увеличиваем приложенное поле (делаем его более положительным). Для B OP , устройство выключено, а на выходе высокий логический уровень. Когда приложенное магнитное поле становится больше (или более положительным), чем пороговое значение B _OP , устройство включается, и выход переключается в противоположное состояние (низкий логический уровень). Передаточная функция для увеличивающегося B-поля показана на рисунке синей кривой.

Как активированное устройство реагирует на убывающее поле? При уменьшении магнитного поля устройство остается включенным (низкий логический уровень) до тех пор, пока приложенное магнитное поле не станет меньше B _RP . Это показано красной кривой на рисунке выше. Для B RP , устройство выключится, и на выходе будет высокий логический уровень.

Следовательно, порог переключения для возрастающего магнитного поля отличается от порога переключения для уменьшающегося поля. Этот гистерезис специально разработан, чтобы обеспечить чистое переключение на выходе. Механические колебания в системе считывания на эффекте Холла, а также электрические и электромагнитные шумы могут вносить шум в воспринимаемое магнитное поле. Шум B-поля около пороговых уровней может привести к неопределенным, быстро меняющимся колебаниям на выходе датчика Холла (рисунок 4). Эти нежелательные колебания устраняются путем небольшого изменения пороговых значений увеличения и уменьшения полей.

Рисунок 4. Без гистерезиса выходной сигнал может быть неопределенным около порогового значения.

Как мы видели выше, работу униполярного переключателя можно описать двумя разными параметрами:B _OP и B _RP . B _OP обозначает «магнитную точку срабатывания» или просто «точку срабатывания». Это указывает на пороговый уровень для возрастающего магнитного поля, выше которого датчик включается. B _RP это «точка магнитного срабатывания» или просто «точка срабатывания». Он указывает пороговый уровень для уменьшения магнитного поля. Для B RP , устройство выключено. Гистерезис представлен как B _HYS который выдается:

В _HYS =B _OP - B _RP

Ниже мы обсудим, что аналогичные обозначения могут использоваться для описания работы других типов цифровых устройств Холла.

Обратите внимание, что в зависимости от электронной конструкции датчика, состояние включения и выключения выхода датчика может быть противоположным показанному на рисунке 3 (низкий логический уровень, когда устройство выключено, и высокий логический уровень, когда оно включено).

Омниполярные переключатели

Передаточная функция многополярного переключателя показана на рисунке 5.

Рисунок 5

Многополярный переключатель включается либо при сильном положительном поле, либо при сильном отрицательном поле. Как показано на рисунке, когда величина магнитного поля становится больше B _OP (| B |> B _OP ), устройство включается, и на выходе устанавливается низкий логический уровень. Когда величина B-поля становится меньше B _RP (| B | RP ) датчик отключается, и на выходе устанавливается высокий логический уровень. Синяя кривая показывает выходной сигнал датчика, когда B-поле изменяется с большого отрицательного значения на большое положительное. Красная кривая показывает результат для уменьшающегося B-поля. У многополюсного переключателя величина точки срабатывания одинакова как для положительного, так и для отрицательного B-поля. Точно так же величина точки выброса одинакова как для полей южной, так и для северной полярности.

Защелки на эффекте Холла

Передаточная функция защелки на эффекте Холла показана на рисунке 6.

Рисунок 6

Защелкивающееся устройство имеет положительный B _OP и отрицательный B _RP . Включается достаточно большим положительным полем (B> B _OP ) и выключается при наличии достаточно сильного поля северной полярности (B RP ). Гистерезис устройства включает область около B =0 и колеблется от BRP до B _OP . Мы знаем, что устройство не меняет состояния в области гистерезиса. Предположим, что мы прикладываем достаточно сильное положительное поле для активации датчика. Если мы удалим это поле, устройство будет воспринимать магнитное поле B =0. Хотя к датчику не применяется какое-либо поле, он сохранит свое предыдущее состояние и останется включенным. Он изменит состояние только в том случае, если мы приложим сильное поле с противоположной полярностью. Когда к датчику приложено слабое магнитное поле (B _RP OP ) датчик сохраняет ранее полученный выходной сигнал. Это объясняет, почему это устройство Холла называется защелкой.

В то время как униполярный или многополярный переключатель может изменять состояние при изменении амплитуды приложенного поля, защелка может определять полярность B-поля (при условии, что приложенное поле имеет достаточную напряженность). Защелки обычно используются с кольцевыми магнитами во вращающихся устройствах, например, для определения положения вращающегося вала. Это показано на Рисунке 7.

Рисунок 7. Изображение предоставлено Allegro.

По мере вращения вала полярность измеряемого магнитного поля изменяется, и датчик соответственно включается / выключается. У защелкивающегося устройства точки срабатывания и отпускания равны по величине, но имеют противоположную полярность (B _OP ≠ -B _RP ).

Биполярные переключатели

В случае биполярного переключателя мы знаем только значение «максимальной» точки срабатывания и «минимальной» точки срабатывания. Однако точные пороговые значения неизвестны. Следовательно, точная работа устройства может меняться от единицы к единице. На рисунке 8 показан пример, когда максимальное значение B _OP составляет около 300 гаусс и минимум B _RP составляет около -300 гаусс.

Рисунок 8. Изображение любезно предоставлено Honeywell.

Для «Устройства 1» оба B _OP и B _RP отрицательны. Для «Устройства 3» оба порога положительны. Другой образец, «Устройство 2», имеет реакцию, аналогичную отклику защелки. Имеет положительный B _OP и отрицательный B _RP . Хотя передаточная функция «Устройства 2» напоминает функцию защелки, следует отметить, что точки срабатывания и отпускания биполярного переключателя могут не быть равными по величине (B _OP - B _RP ).

Как видите, три различных передаточных функции возможны даже для устройств одного типа, которые производятся вместе в одной партии. Согласно инструкции по применению «Основы биполярных переключателей на эффекте Холла» от Allegro, только около 10% биполярных переключателей имеют передаточную функцию, аналогичную функции «Устройство 1» и «Устройство 3». Остальные имеют ответ защелкивающегося типа. По сравнению с устройством с защелкой, биполярный переключатель может иметь более узкую зону гистерезиса (B _HYS =B _OP - B _RP ) и, как следствие, более высокая чувствительность. Однако, поскольку режим работы биполярного переключателя может меняться от единицы к единице, мы должны убедиться, что система будет работать правильно для всех возможных значений B _OP и B _RP (в пределах указанного диапазона).

Чтобы увидеть полный список моих статей, посетите эту страницу.

Измерение тока на эффекте Холла:конфигурации с разомкнутым и замкнутым контуром Определение положения с помощью эффекта Холла:линейность и наклон отклика для конфигураций Slide-By