Jak správně zkontrolovat funkci Hallova senzoru

Hallův senzor je zařízení, které se široce používá jako bezkontaktní spínač v mnoha oblastech lidského života.

Většinou se k tomu používá mikroobvod instalovaný v 3pinovém pouzdře, který obsahuje plnohodnotné systémy pro úpravu signálu s binárním výstupem. Toto zařízení tedy v podstatě není senzor, ale Hallův spínač.

Pokud znáte typ čipu, můžete jej poměrně snadno zkontrolovat. Pokud narazíte na neznámý objekt, potřebujete mít minimální informace o fungování Hallova senzoru, abyste mohli jeho funkci zkontrolovat. Níže se dozvíte, jak to provést.

Základní informace o Hallových senzorech

Většina těchto zařízení v 3pinovém pouzdře, jako je TO-92 nebo TO-92UA, je vybavena svorkami, které jsou uspořádány podle následujícího principu: 1 je Vdd, 2 je indikátor uzemnění, 3 je výstup (číslován podobně jako tranzistory).

Snímače typu SMD jsou složitější, protože jsou umístěny v pouzdře SO-8 nebo jiném speciálním pouzdře. Rozšířené jsou typy SOT-23 a SOT-223 a tranzistory v nich jsou známé, přičemž mají číslování pinů odpovídající výše popsanému algoritmu, zatímco v jiných typech pouzder je tento algoritmus zcela odlišný.

Z tohoto důvodu je bez dokumentů o snímači polohy Hallova jevu a bez znalosti výrobce zařízení poměrně obtížné učinit konkrétní závěr o tom, který je zodpovědný za zapojení do napájecího zdroje nebo jeho rozhraní.

Hallův senzor, nazývaný také Hallotron, se široce používá díky kombinaci senzorů, klimatizačních systémů, Schmittova triggeru a výstupního zesilovače v jednom zařízení. To umožňuje použití takových mikroobvodů v průmyslovém sektoru jako detektory magnetického pole.

Je třeba poznamenat, že pokud jde o zařízení vybavená binárními výstupy typu on/off, není tím míněn senzor, ale Hallův spínač. Často se pletou i v katalogu produktů.

Provozní režimy spínačů tohoto typu

Výše popsaná zařízení fungují v několika režimech, a to:

• bipolární senzor. Pro změnu výstupních hodnot spínačů je nutné, aby byly vystaveny magnetickým polím s odpovídající intenzitou a polaritou. Když je zařízení umístěno v takových polích, jeho výstupy změní svůj stav a zůstanou v něm, pokud nejsou přesunuty do polí s hodnotami opačnými k polárním. Toto zařízení se vyznačuje „západkovým“ výstupem;
• unipolární kladný senzor, jehož aktivace výstupu nastává v důsledku silného kladného magnetického pole (na S-pólu), deaktivace – když toto pole zmizí, tj. hodnota klesne pod mez zapnutí;
• unipolární negativní senzor, u kterého je aktivace vstupu provedena v důsledku odpovídajícího negativního magnetického pole (na N-pólu) a deaktivace se provede, když účinek negativního pole ustane, tj. když jeho hodnota klesne pod mez zapnutí.

Jak se testuje výkon Hallových senzorů?

Pro otestování zařízení stačí znát Hallův jev, zdroj napájení a přítomnost magnetu se silným účinkem.

Algoritmus ověření je následující:

1. Na pin č. 1 je nutné připojit kladné napětí.

2. Je nutné připojit záporný pól ke svorce č. 2. Napájecí napětí se odhaduje pomocí spínacích aplikací. Malá zařízení se vyznačují napětím 3 V. Velká zařízení se používají v přenosných průmyslových zařízeních a vyznačují se napětím 5-12 V. Je třeba vědět, že tyto ukazatele nejsou vždy správné a pokud nejsou k dispozici žádné charakteristiky popsané v katalozích zařízení, nemá smysl experimentovat s napětím, protože to může způsobit značné poškození mikroobvodů nebo neposkytne dostatečnou citlivost zařízení.

3. Když je přivedeno napájecí napětí, musíte zapnout voltmetr a umístit jej do mezery mezi volnou svorku zařízení a kostru.

4. Pod úhlem 90 stupňů by měl být jeden z pólů magnetu se silným účinkem posunut směrem k přední straně zařízení. Na výstupu dojde k skokovému pohybu, když se přiblíží buď pól S, nebo pól N. To závisí na typu spínače. Pokud se použije bipolární typ zařízení, efekt se dosáhne při přiblížení, oddálení, otáčení a také při opakovaném přiblížení nebo oddálení magnetických pólů.

Pokud se napětí mění podle očekávaného výsledku, zařízení s největší pravděpodobností funguje správně a lze jej používat.

Jak používat a instalovat Hallovy senzory

Jakmile je zařízení Hollotron otestováno, použije se cílová aplikace. To se provádí za určitých nezbytných podmínek. Výstupní signály zařízení se mění podle hodnot naměřených sinusem úhlu na povrchu senzoru a výslednými vektory magnetů.

U kolmých siločar vytvořených vzhledem k povrchům zařízení se dosahuje maximálních signálů a u rovnoběžných siločar minimálních signálů. Při práci s reálnými aplikacemi je třeba zvážit možnost chyb. Kromě toho je nutné správně vybrat zařízení pro magnety a naopak. Je třeba si uvědomit, že tato zařízení se používají v širokých teplotních rozsazích, což na ně má vliv.

Kromě toho bychom neměli zapomínat na proudová omezení. Řada Hallových součástek je vhodná pro spínání relé nebo kontrolek a některé jsou vybaveny výstupem s indikátory nízkého proudového zatížení, přizpůsobenými typům napájení na vstupech mikroobvodů CMOS nebo TTL.

Proudy mají přímý vliv na citlivé vlastnosti zařízení. Doporučuje se vybrat kryt zařízení a jeho typ v souladu s oblastí použití zařízení. Materiály, ze kterých jsou vyrobeny kryty zařízení typu TO-92, jsou křehké a náchylné k snadnému poškození.

Vývody zařízení jsou také poměrně tenké a mohou se nechtěně vytrhnout, proto je s nimi třeba zacházet velmi opatrně a při instalaci senzorových čipů v aplikacích, zejména dlouhých kabelů, je vhodné zajistit dobrou ochranu vodiče, volitelně pomocí páječky nebo řádným připevněním kabelu ke krytu.

SS413A Senzor: Hallův; bipolární; Rozsah: -14÷14mT; Napájení U: 3,8÷30VDC

SS449A Senzor: Hallův; unipolární; Rozsah: 23,5÷39mT; Napájení U: 3,8÷30VDC

Integrované Hallovy senzory se používají v mnoha oblastech moderního průmyslu, jako je strojírenství, automobilová elektronika a letecká technologie. Na rozdíl od mechanických a optických senzorů mají Hallovy senzory důležitou výhodu – jsou prakticky necitlivé na mechanické nárazy a změny parametrů prostředí a zároveň minimalizují náklady na hotové řešení.

Integrované Hallovy senzory se používají v mnoha oblastech moderního průmyslu, jako je strojírenství, automobilová elektronika a letecká technologie. Na rozdíl od mechanických a optických senzorů mají Hallovy senzory důležitou výhodu – jsou prakticky necitlivé na mechanické nárazy a změny parametrů prostředí a zároveň minimalizují náklady na hotové řešení.

úvod

Nejrozšířenější jsou tzv. klíčové Hallovy senzory – mikroobvody, jejichž výstup mění svůj logický stav, když intenzita magnetického pole překročí určitou hodnotu. Takové senzory se používají zejména k měření rychlosti otáčení a množství pohybu pohybujících se objektů – hřídelí elektromotorů, ozubených kol reduktorů, dopravních pásů atd. Existuje však samostatná třída integrovaných obvodů s Hallovým prvkem, která umožňuje výrazně rozšířit rozsah použití nebo poskytnout vývojáři větší flexibilitu při konstrukci systému v tradičních oblastech použití. Mluvíme o tzv. lineárních Hallových senzorech. V tomto článku se budeme zabývat hlavními charakteristikami a oblastmi použití těchto zařízení.

Struktura a hlavní charakteristiky lineárních Hallových senzorů

Lineární Hallovy senzory (LHS) jsou obvykle optimalizovány pro měření velikosti unipolárního nebo bipolárního magnetického pole. LHS se vyznačují dvěma hlavními parametry – citlivostí a linearitou v daném rozsahu provozních teplot.

Typická přenosová charakteristika LDC (závislost výstupního napětí na amplitudě magnetického pole) je znázorněna na obr. 1. Většina senzorů s jednopólovým napájením má výstupní nulové napětí (odpovídající nulové intenzitě magnetického pole) rovné polovině rozsahu výstupního napětí nebo polovině napájecího napětí. V druhém případě závisí nulové napětí a citlivost na napájecím napětí. To je pozorováno u senzorů s proporcionálním výstupem, které jsou Hallovým prvkem s lineárním zesilovačem (obr. 2). Oblíbený senzor A3515 s napájecím napětím +5,0 V má tedy nulové napětí a citlivost 2,5 V a 5,0 mV/Gauss, a se zvýšením napájení na 5,5 V se tyto parametry mění na 2,75 V a 5,5 mV/Gauss. Proto je při použití tohoto typu LDC nutné klást přísnější požadavky na zdroj napájení. Zároveň senzory umožňují jednoduché nastavení citlivosti bez dalších zesilovacích komponent, což může být velmi užitečné.

Moderní LDH jsou monolitické integrované obvody, kde jsou na jednom krystalu kombinovány Hallův prvek, lineární zesilovač a koncový stupeň výkonového zesilovače třídy A (obr. 3). Kromě toho, pro zvýšení přesnosti převodu a zajištění teplotní stability, mikroobvod implementuje systém automatické korekce předpětí a filtrování signálu za lineárním zesilovačem.

Tabulka 1. Nomenklatura nových lineárních Hallových senzorů od společnosti Allegro Microsystems

Tabulka 1 ukazuje řadu nových lineárních Hallových senzorů od společnosti Allegro Microsystems. Senzory A1301, A1302 mají zapojení znázorněné na obr. 3. Poskytují nízkou hodnotu přesnosti a lze je použít například v systémech pro záznam úhlových nebo lineárních pohybů objektů. Přesnost a stabilita charakteristik LDC s jedním Hallovým prvkem může být ovlivněna mnoha faktory: nerovnováhou gradientů odporu v závislosti na směru proudu, geometrickou nehomogenitou, piezorezistivními jevy a dokonce i vnějšími mechanickými vlivy na pouzdro mikroobvodu. Pro eliminaci vlivu výše uvedených faktorů na přesnost LDC se používá obvod dynamické kvadraturní kompenzace ofsetu. Jeho princip činnosti je znázorněn na obr. 4. Proudy Hallova prvku ze dvou směrů (0° a 90°) jsou střídavě přepínány s frekvencí asi 200 kHz na vstupy diferenciálního zesilovače, čímž se provádí „elektronická rotace“ prvku o 90°. Současně v okamžiku „otáčky“ obvod vzorkování a uchování fixuje napětí na výstupu zesilovače, čímž eliminuje rušení při spínání. Nakonec signál prochází dolní propustí pro úplnou obnovu. Obvod dynamické kvadraturní kompenzace umožňuje téměř zcela eliminovat vliv vnějších destabilizujících faktorů a dosáhnout vysoké stability výstupního předpětí. Mezi nevýhody obvodu patří přítomnost šumu ve spektru výstupního signálu v pásmu spínací frekvence F_com, který omezuje maximální frekvenci výstupního signálu senzoru na hodnotu typicky rovnou 0,1–0,2 F_com.

Popsaný princip kompenzace ofsetu je použit v senzorech A1321–A1323 (obr. 5). Tyto produkty patří do třídy přesně kalibrovaných LDH a zachovávají si vysokou přesnost a linearitu převodu v teplotním rozsahu od –40 do +150 °C. Jak však bylo uvedeno výše, obvody dynamické kompenzace ofsetu vedou ke zvýšení šumu na výstupu senzoru. Pokud tedy amplituda výstupního šumu v pásmu 1301 kHz lineárních senzorů A1302, A10 nepřesahuje 150 μV, pak je pro A1321–A1323 tato hodnota již o dva řády vyšší – přibližně 25 mV. Při stejném konverzním koeficientu 2,5 mV/Gauss je tedy rozlišení minimální zaznamenané hodnoty magnetického pole pro A1301 0,06 Gauss a pro A1323 10 Gauss.

Použití regulace napájecího napětí pro škálování konverzního faktoru LDH vede k řadě obtíží v návrhu obvodů. Zaprvé, prudce se zvyšují požadavky na stabilitu napájecího napětí. Zadruhé, pulzace a šum napájecího napětí přímo modulují výstupní signál senzoru, což ovlivňuje přesnost měření, což vyžaduje použití složité filtrace, a proto výrazně zvyšuje cenu obvodu. Senzory nové generace A1391, A1392 těchto nedostatků postrádají (obr. 6). Tyto mikroobvody mají samostatný vstup referenčního škálovacího napětí VREF, pomocí kterého lze nastavit libovolnou hodnotu nulové úrovně a konverzního faktoru. Zároveň obvod poskytuje hloubku potlačení šumu napájecího napětí asi 60 dB. Stabilizace ofsetu se provádí podobně jako u A1321–A1323, ale amplituda šumu je snížena o 20 %.

Senzory A1391 a A1392 implementují na vstupu SLEEP režim elektronického vypnutí. Když je na tento vstup přivedena logická nula, mikroobvod se přepne do režimu nízké spotřeby energie (méně než 25 μA) a výstup senzoru se přepne do třetího stavu s vysokou impedancí. To umožňuje paralelní kombinování skupin senzorů pomocí výstupů a použití jediného ADC bez vestavěného multiplexeru (obr. 7). Senzory mohou být dotazovány externím mikroprocesorem vysláním signálu logické jednotky na vstup SLEEP odpovídajícího mikroobvodu.

Aplikace LDH

Mezi oblastmi použití lineárních Hallových senzorů je třeba zdůraznit dvě nejběžnější. Jsou to zařízení pro měření lineárního nebo úhlového posunutí a měření elektrického proudu.

Měření lineárního nebo úhlového posunutí

Ve většině aplikací pro měření pohybu objektů se LDH používají společně s permanentními magnety. To je dáno tím, že pro zachování maximální linearity je nutné zajistit velkou hodnotu změny magnetického pole při změně vzdálenosti mezi LDH a referenčním bodem na pohybujícím se objektu. Permanentní magnet by měl být vybrán s co nejvyšší intenzitou pole, například SaCo nebo AlNiCo.

V systémech pro měření posunutí objektů existuje několik možností pro relativní polohu permanentního magnetu a LDH. Nejjednodušší metodou je lineární poloha LDH a magnetu na jedné ose tak, aby siločáry magnetického pole protínaly senzor pod úhlem 90°. Při takovém uspořádání existuje silně nelineární vztah mezi výstupním napětím LDH a vzdáleností mezi ním a magnetem (obr. 8). Při relativně malých posunech je odchylka od linearity malá a další linearizace nemusí být nutná. V opačném případě je nutné použít další linearizační schéma pro charakteristiku vzdálenost-napětí.

Druhou možností je uspořádání LDH a magnetu v rovnoběžných rovinách. S touto orientací má systém bod nulového pole, což umožňuje získat další informace o směru pohybu na základě znaménka výstupního napětí (například doprava – zvýšení napětí, doleva – snížení (obr. 9)). Jak je vidět z obr. 9, centrální oblast vzhledem k bodu nulového pohybu má vysokou linearitu, kterou lze úspěšně využít v aplikacích, jako jsou potenciometry, korektory vzduchu (pneumatické ventily), snímače polohy škrticí klapky atd. Mimochodem, v této variantě má díky velké amplitudě změny intenzity magnetického pole v blízkosti nulového bodu i výstupní napětí LDH velký rozkmit, což zjednodušuje následné zpracování signálu.

Třetí možností je umístění LDH mezi dva komplementární instalované magnety (obr. 10). Komplementární pole systému dvou magnetů poskytují dobrou linearitu s vysokou charakteristikou sklonu. Tento systém má také nulový bod posunutí, což umožňuje získat informace o směru posunutí. Nevýhodou popsané možnosti je poměrně malý rozsah posunutí v takovém systému, což omezuje rozsah jeho použití.

Většina uvažovaných možností vyžaduje linearizaci závislosti výstupního signálu na vzdálenosti v jednom či druhém stupni. To lze realizovat pomocí ADC a mikrokontroléru, pokud vyvíjené zařízení umožňuje následné digitální řízení. Pokud je však výsledkem analogový signál lineárně závislý na vzdálenosti, lze proces linearizace snadno implementovat pomocí programovatelného analogového integrovaného obvodu (PAIC) Anadigm [1]. V tomto případě stačí jednou vzít experimentální závislost převodní funkce a zadat ji do vývojového prostředí jako tabulku koeficientů. Kromě linearizace lze v PAIC v případě potřeby implementovat i další zpracování signálu (zesílení, filtrování, detekce nuly atd.).

Měření elektrického proudu

Existuje mnoho metod měření proudu, ale pouze tři z nich našly široké uplatnění v hromadné výrobě. Jsou to odporová metoda, transformátorové senzory a Hallovy senzory proudu. Odporová metoda je nejjednodušší a nejúspornější, ale má značné nevýhody, mezi které patří velké ztráty výkonu na rezistoru a nedostatek galvanického oddělení měřicího a měřeného obvodu. Drátové rezistory mají navíc značnou indukčnost, což neumožňuje jejich použití v pulzních a vysokofrekvenčních obvodech pro měření proudu. Použití výkonných neindukčních silnovrstvých rezistorů snižuje ekonomický efekt této metody na nulu. Použití proudových transformátorů je mnohem dražším řešením a je také možné pouze při měření střídavého proudu v omezeném frekvenčním pásmu.

Proudové senzory založené na Hallově jevu zaujímají mezi výše uvedenými typy cenově střední pozici. Jejich hlavními výhodami jsou absence ztrát vodivostí a schopnost měřit stejnosměrný i střídavý proud. Hallův prvek je navíc izolován od proudového obvodu, což automaticky zajišťuje galvanické oddělení. Potřebu externího napájení nelze nazvat významnou nevýhodou, protože ve velké většině případů není senzor konečným zařízením a za ním jsou ještě další součásti obvodu, které také vyžadují napájení.

Vzhledem k tomu, že rozsah hodnot indukce magnetického pole měřených LDC je omezený, je při výběru konstrukce nutné správně určit konfiguraci magnetického obvodu senzoru. Intenzita pole vytvářená zdrojem proudu musí odpovídat rozsahu měření LDC.

Při měření proudu od několika desítek do tisíců ampérů lze Hallův senzor umístit v blízkosti vodiče, bez použití dalšího magnetického obvodu. U stávajících typů senzorů lze za optimální hodnotu indukce magnetického pole považovat hodnotu okolo 100 Gaussů uprostřed měřicího rozsahu. To zajistí přijatelnou citlivost senzoru z hlediska výstupního šumu. Indukci magnetického pole vytvořenou vodičem s proudem lze odhadnout pomocí známého vzorce (v soustavě SI):

kde r je vzdálenost mezi středy vodiče a mikroobvodem Hallova senzoru (obr. 11). Při volbě polohy LDH vzhledem k vodiči je nutné vzít v úvahu, že nejvyšší citlivosti je dosaženo, když siločáry magnetického pole protínají rovinu senzoru v pravém úhlu. Tato metoda má nevýhodu v tom, že jakýkoli vnější zdroj magnetického pole ovlivní hodnoty proudu ze senzoru.

Toroidní magnetický obvod s mezerou, ve kterém je instalován přesně kalibrovaný mikroobvod LDH typu A1321–A1323 (obr. 12), umožňuje zvýšit citlivost a snížit vnější vlivy. V tomto případě je celé pole soustředěno v mezeře a vnější vliv prakticky chybí. Indukci v mezeře lze odhadnout poměrem:

Popsaný princip měření proudu je implementován v modulárních senzorech společnosti Allegro Microsystems rodiny ACS (obr. 13, tabulka 2).

Tabulka 2. Charakteristiky modulárních senzorů Allegro Microsystems řady ACS

Konstrukce znázorněná na obr. 12 neumožňuje měření malých hodnot proudu. To je způsobeno omezením citlivosti LDC výstupním šumem. Při použití mikroobvodu A1323 je tedy rozlišení magnetické indukce, omezené šumem v pásmu 10 kHz, 10 Gaussů, neboli asi 1,5 A. Existují dvě možnosti: buď použít LDC s lineárním nekompenzovaným zesilovačem, nebo použít víceotáčkovou konstrukci (obr. 14). V prvním případě, jak je znázorněno výše, se citlivost zvýší na 0,06 Gaussů, neboli asi 10 mA. Pro zajištění takové citlivosti ve víceotáčkové konstrukci bude nutné navinout více než 150 závitů, což vede k prudkému zvýšení indukčnosti a může být nepřijatelné. Proto je v každém konkrétním případě nutné kompromis mezi rozlišením senzoru a frekvenčním pásmem. Například omezení frekvenčního pásma pomocí nejjednoduššího RC dolnopropustného filtru na výstupu LDH A1323 na 1 kHz zvýší rozlišení na 0,1 A.

Závěr

Zvážili jsme dvě nejoblíbenější aplikace LDH, které nám umožňují výrazně zjednodušit řešení široké škály problémů při návrhu zařízení pro automatické řídicí systémy, napájecí a měnicí zařízení. Doufáme, že tento materiál bude vývojářům užitečný při výběru jednoho či druhého technického řešení.

Literatura

1. Série článků věnovaných programovatelným analogovým integrovaným obvodům Anadigm // Součástky a technologie. 2005. č. 1–9.