Fundamenten van digitale magnetische sensoren

Een digitale magnetische sensor is een apparaat waarbij de uitgang schakelt tussen de AAN- en UIT-statussen als gevolg van de aanwezigheid van een extern magnetisch veld. Apparaten van dit type, gebaseerd op het fysieke principe van het Hall-effect, worden veel gebruikt als sensoren voor nabijheids-, positionering-, snelheids- en stroomdetectie. In tegenstelling tot een mechanische schakelaar, zijn ze een duurzame oplossing omdat ze vrij zijn van mechanische slijtage en zelfs in bijzonder kritieke omgevingsomstandigheden kunnen werken. Digitale magnetische sensoren worden steeds meer wijdverbreid, vooral in de automobiel- en consumentenelektronicasectoren, dankzij functies zoals contactloze bediening, gebrek aan onderhoud, robuustheid en immuniteit voor trillingen, stof en vloeistoffen.

In de automobielsector worden deze sensoren bijvoorbeeld gebruikt om positie, afstand en snelheid te detecteren. In de motor worden ze gebruikt om de positie van de krukas te bepalen, in het passagierscompartiment worden ze gebruikt om de positie van de stoelen en veiligheidsgordels te detecteren (basisinformatie voor de bediening van het airbagcontrolesysteem), en op de wielen detecteer de rotatiesnelheid die het ABS nodig heeft.

Werkingsprincipe

Het hart van elke magnetische sensor wordt weergegeven door het Hall-element, waarvan de uitgangsspanning (ook wel Hall-spanning genoemd en aangegeven met V_H ) is recht evenredig met de intensiteit van het magnetische veld dat door het halfgeleidermateriaal gaat. Aangezien deze spanning erg laag is, in de orde van enkele microvolts, is het noodzakelijk om in het ontwerp van andere componenten op te nemen, zoals operationele versterkers, spanningsvergelijkers, spanningsregelaars en uitgangsstuurprogramma's. Afhankelijk van het type uitgang zijn magnetische sensoren onderverdeeld in lineaire, waarbij de analoge uitgangsspanning lineair varieert met de intensiteit van het magnetische veld, en in digitale, waarbij de uitgang slechts twee toestanden kan aannemen. In beide gevallen is de V_H spanning voldoet aan de volgende vergelijking:

V_H =R_H · ((B · I) / t)

waar:V_H is de Hall-spanning in volt, R_H is de Hall-effectcoëfficiënt, I is de stroom die door de sensor vloeit in ampère, t is de dikte van de sensor in mm, en B is de magnetische fluxdichtheid in Tesla's. Figuur 1 toont het blokschema van een generieke lineaire Hall-effectsensor, terwijl het diagram van Figuur 2 verwijst naar een digitale sensor. Het Hall-element wordt weergegeven in Figuur 1 door de vierkante doos met een "X" en, afhankelijk van het type, kan een sensor meerdere cellen van hetzelfde type bevatten (twee zijn vereist om differentiële magnetische velden te detecteren, drie voor het detecteren van richting of beweging). Om de flexibiliteit van de interface te vergroten, bevat de analoge sensor meestal een open emitter, open collector of push-pull-transistor die is aangesloten op de uitgang van de differentiële versterker. Het belangrijkste verschil tussen de twee schema's is dat de sensor met digitale uitgang een Schmitt-trigger met ingebouwde hysteresis bevat, aangesloten op de opamp.

Wanneer de magnetische flux die door de sensor gaat een bepaalde drempel overschrijdt, schakelt de uitgang van UIT naar AAN. De hysterese wordt gebruikt om elke oscillatie van het uitgangssignaal te elimineren wanneer de sensor het magnetische veld binnenkomt en verlaat. De apparaten op basis van het Hall-effect zijn onderverdeeld in unipolaire en bipolaire sensoren. Bipolaire sensoren hebben een positief magnetisch veld (zuidpool) nodig om te werken en een negatief magnetisch veld (noordpool) voor vrijgave. Unipolaire sensoren hebben een enkele magnetische pool (zuidpool) nodig, zowel voor gebruik als voor vrijgave. Bovendien zijn sensoren normaal gesproken ontworpen om een ​​uitgang te produceren in de UIT-toestand (open circuit) bij afwezigheid van een elektromagnetisch veld en een uitgang in de AAN-toestand (gesloten circuit) wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld van voldoende intensiteit en met de juiste polariteit.

Toepassingen

Ongeacht het specifieke type toepassing, is een fundamentele vereiste voor de juiste werking van Hall-effect-sensoren dat de magnetische fluxlijnen altijd loodrecht op het sensoroppervlak staan ​​en de juiste polariteit hebben. De toepassingen van digitale magnetische sensoren zijn talrijk, waaronder auto's, consumentenelektronica, elektromedische systemen, telecommunicatie, besturing van industriële processen. Positiesensoren worden gebruikt om een ​​glijdende beweging tussen de magneet en de sensor te detecteren, waarbij de twee elementen op zeer korte afstand zijn geplaatst. De relatieve beweging tussen magneet en sensor genereert een positief magnetisch veld wanneer de sensor naar het zuiden beweegt en een negatief magnetisch veld wanneer de sensor naar de noordpool beweegt.

Er zijn verschillende technieken beschikbaar om de positie te bepalen:als de toepassing bijvoorbeeld een beperkte en discrete positie vereist, kunnen eenvoudige schakelaars worden gebruikt, terwijl voor toepassingen die meer precisie vereisen, een lineair apparaat kan worden gebruikt in combinatie met een microprocessor. Positie- of naderingssensoren kunnen ook worden gebruikt om het niveau van een vloeistof te bewaken, bij toepassingen in huishoudelijke apparaten zoals wasmachines of vaatwassers. In dit geval worden meerdere Hall-schakelaars gebruikt in combinatie met een magneet op de vlotter.

Wanneer de vlotter in de buis omhoog komt, worden de bijbehorende discrete schakelaars buiten de behuizing geactiveerd, waardoor een digitale indicatie van het waterniveau wordt verkregen. Een andere belangrijke toepassing betreft borstelloze gelijkstroommotoren, waarvan de snelheid wordt geregeld door elektrische in plaats van mechanische commutatie. Daarbij zijn drie digitale magneetsensoren op de motorstator geplaatst, terwijl op de rotoras permanente magneten zijn geplaatst. De automobielsector is uitgegroeid tot een leider in de wereldwijde markt voor magnetische veldsensoren, goed voor meer dan 40% van het marktaandeel. De toenemende vraag om meerdere veiligheidsvoorzieningen in auto's te integreren, heeft een kans gecreëerd voor Hall-sensoren, die worden benut in verschillende veiligheidsgerelateerde toepassingen, zoals het elektronische stabiliteitscontrolesysteem (ESC) en het antiblokkeerremsysteem (ABS).

Een voorbeeld van digitale magnetische sensoren voor positiedetectie is de Allegro MicroSystems A1210-A1214 apparaatfamilie. Voorzien van AEC-Q100-certificering voor automobieltoepassingen, bieden de sensoren uit de A121x-serie een hoge betrouwbaarheid met een stabiele en continue werking over het uitgebreide temperatuurbereik, robuuste EMC-prestaties en een hoge ESD-classificatie. De A1210-A1214 Hall-effect-latches bevatten het volgende op een enkele siliciumchip:spanningsregelaar, Hall-spanningsgenerator, kleinsignaalversterker, Schmitt-trigger en NMOS-uitgangstransistor.

De uitgang van deze apparaten schakelt laag (gaat aan) wanneer een magnetisch veld loodrecht op het Hall-element de werkpuntdrempel overschrijdt. De sensor heeft een vergrendelingsgedrag, dat wil zeggen dat een zuidpool van voldoende sterkte het apparaat aanzet, en het blijft ook aan nadat de zuidpool is verwijderd. Wanneer het magnetische veld onder het vrijgavepunt wordt verminderd, wordt de sensoruitgang hoog (gaat uit). Het verschil in de magnetische bedienings- en lospunten is de hysterese van het apparaat.

Magnetische sensoren zijn ook geschikt voor nauwkeurige detectie van hoekposities. Een voorbeeld is de AMS AS5048A/AS5048B magnetische roterende encoder, een sensor die een 14-bits output met hoge resolutie levert voor 360° detectie van hoekposities. Afbeelding 3 toont de belangrijkste functionele blokken van het apparaat:Hall-sensor, analoog-digitaalomzetter en digitale signaalverwerking. De absolute positie van de magneet is direct toegankelijk via een PWM-uitgang en kan worden verkregen via een standaard SPI of een snelle I²C-interface, afhankelijk van de versie. De nulpositie kan worden geprogrammeerd via SPI- of I²C-commando, wat het totale systeem vereenvoudigt omdat de magneet niet mechanisch hoeft te worden uitgelijnd. De sensor tolereert verkeerde uitlijning, variaties in de luchtspleet, temperatuur en externe magnetische veldvariaties. Betrouwbaarheid, robuustheid en een groot temperatuurbereik maken hem ideaal voor het meten van rotatiehoeken in zware industriële en medische omgevingen.

Conclusie

Digitale magnetische Hall-effectsensoren staan ​​bij ontwerpers bekend om hun robuustheid, duurzaamheid en betrouwbare werking voor elke toepassing met positiedetectie. Of het nu gaat om het detecteren van het sluiten van een laptopklep of het uitvoeren van complexe motorcommutaties en nauwkeurige positiemetingen, Hall-effectsensoren zullen de positie met extreme precisie detecteren, zelfs in de meest extreme omgevingsomstandigheden.

Door S. Lovati, elektronica-ingenieur en technisch auteur