Digiiale Hall-effect sensoren: unipolaire, omnipolaire, bipolaire en latch-switches uitgelegd

Hall-effect switches en latches begrijpen: polariteit, hysteres en praktische toepassingen

Hall-effect apparaten zijn precisie magnetische veld-comparatoren. Ze evalueren de magnetische fluxdichtheid—vaak de B-veld genoemd—tegen vooraf gedefinieerde drempels en leveren een binaire output. De vier hoofdcategorieën van digitale (aan/uit) Hall-sensoren zijn unipolaire switches, bipolaire switches, omnipolaire switches en latches.

Voordat we in elk type's overdrachtsfunctie duiken, is het essentieel om het concept van B-veldpolariteit te verduidelijken—een terugkerend thema doorheen onze discussie.

B-veldpolariteit definiëren

Een Hall-sensor is inherent directioneel; het zintuigt alleen de component van de magnetische fluxdichtheid die uitgelijnd is met zijn gevoeligheidsas. Figuur 1 illustreert de gevoeligheidsassen van twee veelvoorkomende sensorverpakkingen.

Figuur 1. Met toestemming van Texas Instruments.

Als het toegepaste magnetische veld een component produceert langs de gevoeligheidsas, wordt het B-veld als positief beschouwd. Integen, een component tegenover de as is negatief. Figuur 2 demonstreert een scenario waar de sensor op locatie A een negatief B-veld ervaart.

Figuur 2.

Aannemend dat de sensor's gevoeligheidsas uitgelijnd is met de z-as, creëren de magnetische veldlijnen van een magneet—ontspringend bij de noordpool en eindigend bij de zuidpool—een negatief B-veld bij de sensor. Veel fabricanten hanteren een conventie: een zuidpool gericht naar de sensor's gebrande (voorste) gezicht genereert een positief B-veld, terwijl een noordpool een negatief B-veld oplevert. Deze conventie geldt alleen wanneer de magneet's polen het gebrande gezicht aanspreken; het omkeren van de orientatie maakt het ongeldig.

De meeste Hall-apparaten zijn eendimensionaal, zintuigend langs een enkele as, maar multi-element ICs kunnen drie-as gevoeligheid bieden.

Unipolaire switches

Figuur 3 beeldt de operatie van een unipolaire switch.

Figuur 3.

De drempels—B_OP (operate point) en B_RP (release point)—liggen uitsluitend in het positieve B-veldgebied. De sensor reageert alleen op een zuidpool (positief) veld; een noordpool (negatief) veld heeft geen effect, vandaar de term "unipolaire."

Wanneer een noordpool-veld toegepast wordt en de veldsterkte toeneemt in de positieve richting, blijft de sensor uit (logica hoog) tot de toegepaste B B_OP overschrijdt. Op dat moment flitst de output om naar logica laag. Als het veld dan afneemt, blijft de sensor aan tot de B onder B_RP daalt, waarna het terugkeert naar logica hoog. Deze asymmetrische drempelwaarden introduceert hysteres, wat snelle outputfluctuaties voorkomt veroorzaakt door mechanische trillingen of elektromagnetische ruis, geïllustreerd in Figuur 4.

Figuur 4. Zonder hysteres kan de output ongedetermineerd zijn rond de drempel.

De hysteresbreedte wordt gedefinieerd als B_HYS = B_OP – B_RP. Afhankelijk van de sensor's interne circuitry, kunnen de logische staten van de output geïnverteerd zijn, maar het schakelgedrag blijft identiek.

Omnipolaire switches

Omnipolaire switches activeren wanneer de magnetische veldgrootte een drempel overschrijdt, ongeacht polariteit. Figuur 5 toont de overdrachtsfunctie.

Figuur 5.

Wanneer |B| > B_OP, schakelt de sensor aan (logica laag). Wanneer |B| < B_RP, schakelt hij uit (logica hoog). Dezelfde grootte van B_OP en B_RP geldt voor zowel positieve als negatieve velden, wat symmetrische operatie biedt.

Hall-effect Latches

Figuur 6 illustreert een latch's gedrag.

Figuur 6.

Een latch heeft een positieve B_OP en een negatieve B_RP. Het schakelt aan wanneer B > B_OP en uit wanneer B < B_RP. Tussen deze drempels—d.w.z. de hysteres-regio spannend van B_RP tot B_OP—blijft de output onveranderd, zelfs als het veld door nul gaat. Gevolg houdt de latch zijn toestand vast tot een veld van tegengestelde polariteit en voldoende grootte wordt toegepast.

Omdat een latch zowel de grootte als polariteit van het B-veld zintuigt, is het ideaal voor rotatietoepassingen waar een ringmagneet's polariteit afwisselt, zoals getoond in Figuur 7.

Figuur 7. Met toestemming van Allegro.

Voor latches zijn de operate- en release-punten gelijk in grootte maar tegengesteld in teken (B_OP ≠ –B_RP).

Bipolaire switches

Bipolaire switches bieden een maximum B_OP en een minimum B_RP, maar de exacte drempelwaarden kunnen per eenheid variëren. Figuur 8 presenteert drie steekproefresponsen van een enkele productielot.

Figuur 8. Met toestemming van Honeywell.

Apparaat 1 en Apparaat 3 hebben beide drempels van dezelfde polariteit (beide negatief of beide positief), terwijl Apparaat 2 een latch-achtige respons vertoont met een positieve B_OP en negatieve B_RP. Volgens Allegro's "Bipolar Switch Hall-Effect IC Basics" nota, lijken slechts ongeveer 10% van bipolaire switches op Apparaten 1 of 3; de meerderheid vertoont latch-type gedrag.

Terwijl een bipolaire switch een smaller hysteresband (B_HYS = B_OP – B_RP) en hogere gevoeligheid kan bieden dan een latch, vereist de eenheid-tot-eenheid variabiliteit zorgvuldig ontwerp om robuuste operatie over het gespecificeerde drempelbereik te garanderen.

Voor meer diepgang, verkennen de volledige verzameling van onze technische artikelen.