Применение датчиков холла. Одна микросхема для создания любого датчика тока
Компании Texas Instruments и Honeywell предлагают датчики Холла с ультрамалым энергопотреблением для компактных применений с автономным питанием. Имеются модели для определения фиксированного положения объекта и для измерения его движения . В чем же отличия датчиков TI и Honeywell, и какая модель лучше подойдет в том или ином случае?
Для передачи в электрическую схему информации о положении различных подвижных элементов, таких как валы, заслонки, крышки, роторы электродвигателей, в свое время были разработаны специализированные приборы, известные как датчики положения. Существуют датчики, основанные на электромеханическом, емкостном, индуктивном, ультразвуковом, магнитном или оптическом принципе работы, а также множество комбинированных устройств. Каждый тип датчиков обладает конкретными достоинствами и недостатками и имеет свою область применений. В последние десятилетия список типов датчиков положения пополнился еще одним типом – датчиками на основе эффекта Холла.
Отличительными характеристиками современной электроники являются компактность и экономичность. И если с компактностью у датчиков Холла особых проблем никогда не было, то с экономичностью до недавнего времени было непросто: в связи с появлением экономичных электронных приборов, позволяющих устройству несколько лет работать от одноэлементной литиевой батарейки, даже небольшой ток потребления обычного датчика Холла уже вносит ощутимый вклад в общее энергопотребление системы.
Поэтому в последнее время ведущие производители электронных компонентов, в том числе Texas Instruments и Honeywell , представили новый тип датчиков положения на основе эффекта Холла, отличающийся повышенной экономичностью. Ключевой особенностью этих микросхем является ультрамалый ток собственного потребления, который в совокупности с компактными размерами и высокой чувствительностью делает их идеальными для компактных приложений с батарейным питанием, например, для беспроводных датчиков охранных систем, устройств интернета вещей и других систем.
Особенности малопотребляющих дискретных датчиков Холла
Различают линейные и дискретные датчики Холла (рисунок 1). Выходные сигналы линейных датчиков пропорциональны величине магнитной индукции. Основная сфера применения подобных устройств – измерители напряженности магнитного поля, датчики постоянных и переменных токов (рисунок 2), бесконтактные потенциометры, датчики угла поворота и прочие приложения, работающие с непрерывными сигналами. Кроме усилителя и схем температурной компенсации микросхемы, в зависимости от специализации, могут содержать множество других узлов, например, АЦП, компараторы тревожных сигналов для активизации центрального микроконтроллера, контроллеры популярных интерфейсов передачи данных, (USART, I 2 C, SPI и других), а также энергонезависимую память для хранения настроек.
Когда абсолютное значение индукции магнитного поля не имеет значения, а важно определить лишь факт наличия или отсутствия магнитного поля – используют датчики Холла с дискретным выходом. В эти микросхемы обычно интегрируются один или несколько компараторов с гистерезисом, сравнивающих напряжение на выходе дифференциального усилителя с пороговыми уровнями. Областью применения дискретных датчиков Холла является широкий спектр автоматизированных приложений: датчики открытия дверей, частотомеры, синхронизаторы, автомобильные системы зажигания, контроллеры подвижных элементов (клапанов, задвижек, крышек и прочего), охранные системы, устройства управления электродвигателями и многие другие.
Классическим примером использования дискретных датчиков Холла являются электродвигатели, используемые в компьютерном оборудовании (рисунок 3). Размещенный на плате двигателя датчик Холла измеряет напряженность магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом ротора, формируя импульсный сигнал с логическими уровнями, частота которого пропорциональна частоте вращения, что позволяет оценить как исправность, так и производительность вентилятора.
Относительно новой областью применения дискретных датчиков Холла являются устройства дистанционного мониторинга, в которых они постепенно вытесняют традиционно используемые в данных приложениях герметичные электромеханические контакты (герконы). Например, использование датчика Холла совместно с трехосевым акселерометром в беспроводном дверном датчике DMS-100 , выпускаемом компанией Pandora (рисунок 4), позволяет распознать удар, поворот и состояние (открыто/закрыто) дверей, люков, крышек кофров, багажников, прицепов. Поскольку датчик DMS-100 использует беспроводной интерфейс передачи данных и питается от аккумулятора, его можно легко и быстро разместить в труднодоступных местах.
Основными преимуществами датчиков Холла по сравнению с герконами являются высокая надежность, компактность и повышенная чувствительность. Кроме этого, измерительный элемент может определять не только величину, но и полярность магнитного поля, в том числе – по нескольким координатам. Все эти преимущества позволяют позиционировать датчики Холла в качестве перспективной элементной базы.
В случае, когда непрерывный мониторинг объекта не требуется (например, для систем безопасности), энергопотребление датчика Холла может быть снижено за счет перевода в прерывистый режим работы. Например, при контроле двери или окна нет необходимости постоянно определять их состояние, достаточно это делать несколько раз в секунду, ведь скорость их перемещения относительно невелика. Благодаря тому, что измерительный элемент датчика Холла является практически безынерционным, а современная элементная база отличается высоким быстродействием, для проведения измерений уровня магнитного поля без ущерба для точности достаточно всего нескольких десятков микросекунд. Таким образом, если микросхема датчика большую часть времени будет находиться в спящем режиме, при котором потребляемый ток снижается до уровня нескольких микроампер, то среднее значение тока, потребляемого датчиком, может быть уменьшено на несколько порядков.
Например, пусть для проведения измерений достаточно 100 мкс и тока 5 мА. Если проводить измерения 10 раз в секунду с интервалом 100 мс, то при токе потребления в спящем режиме 5 мкА средний потребляемый ток I ср будет рассчитан по формуле 1 (рисунок 5):
$$I_{ср}=\frac{T_{1}}{T}\times I_{1}+\frac{T_{2}}{T}\times I_{2},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
где T 1 = (t 1 – 0) – продолжительность этапа измерения, T 2 = (T – t 1) – продолжительность спящего режима, то есть (0,1/100)∙5000 + (99,9/100)∙5 ≈ 10 мкА.
Это в 500 раз меньше тока 5 мА, который бы потребляла микросхема, выполняя непрерывные измерения. Таким образом, использование прерывистого режима является эффективным средством уменьшения энергопотребления дискретных датчиков Холла без ущерба для их функциональности, что делает их идеальными для широкого круга компактных приложений с батарейным питанием.
Малопотребляющие датчики Холла производства Texas Instruments
В ассортименте TI на момент написания статьи присутствуют две модели датчиков с ультрамалым потреблением, взаимно дополняющие друг друга по своей функциональности. Ключевым отличием предлагаемых приборов является метод формирования выходного сигнала. Микросхемы DRV5032 фиксируют наличие магнитного поля с индукцией выше порогового значения, которое, в зависимости от модификации, может находиться в диапазоне 3,8…63 мТл (рисунок 6), в то время как датчики DRV5012 имеют функцию защелки, состояние которой меняется только при изменении полярности магнитного поля (рисунок 7). Это и определяет практическое назначение микросхем: DRV5032 предназначены, в первую очередь, для определения наличия каких-либо объектов, например, для фиксации открытия окна или двери, и могут работать с обычными двухполюсными магнитами, а DRV5012 – для измерения движения, например, ротора электродвигателя, и больше ориентированы на работу с многополюсными магнитами.
Упрощенная структурная схема датчиков DRV5032 показана на рисунке 8, а их технические характеристики приведены в таблице 1. В микросхеме интегрированы: стабилизатор напряжения, обеспечивающий необходимый режим работы всех узлов в широком диапазоне питающего напряжения, управляемый источник тока для измерительного элемента, дифференциальный операционный усилитель с компенсирующими цепями, устраняющими влияние температуры и напряжения смещения, присутствующего на выходе измерительного элемента, и управляющие выходами логические элементы. Из внешних компонентов для устойчивой работы прибора необходим лишь блокировочный керамический конденсатор емкостью не менее 0,1 мкФ, устраняющий переходные процессы в цепи питания, обусловленные импульсным характером потребляемого тока.
Таблица 1. Технические характеристики микросхем DRV5032
| Параметры | Наименование | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DRV5032DU | DRV5032FA | DRV5032FB | DRV5032FC | DRV5032FD | DRV5032AJ | DRV5032ZE | |
| Чувствительность, мТл | 3,9 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 4,8 | 9,5 | 63 |
| Тип чувствительности к магнитному полю | Униполярный | Биполярный | Биполярный | Биполярный | Униполярный | Биполярный | Биполярный |
| Тип выходов | Двухтактный | Двухтактный | Двухтактный | Открытый сток | Двухтактный | Открытый сток | Открытый сток |
| Количество выходов | 1, 2 * | 1 | 1 | 1 | 2 * | 1 | 1 |
| Частота опроса, тип., Гц | 20 | 20 | 5 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| Напряжение питания, В | 1,65…5,5 | 1,65…5,5 | 1,65…5,5 | 1,65…5,5 | 1,65…5,5 | 1,65..5,5 | 1,65…5,5 |
| 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | |
| Средний потребляемый ток, тип. ** , мкА | 1,3…2,3 | 1,3…2,3 | 0,54…1,06 | 1,3…2,3 | 1,3…2,3 | 1,3…2,3 | 1,3…2,3 |
| 55 | 55 | 55 | 55 | 55 | 55 | 55 | |
| 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | |
| Рабочая температура, °С | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 |
| Корпус | SOT-23, X2SON | SOT-23, X2SON | SOT-23 | SOT-23 | X2SON | SOT-23, X2SON | SOT-23 |
| * В зависимости от типа корпуса: SOT-23 – один выход (срабатывает при ориентации магнита южным полюсом к датчику); X2SON – два выхода (для северного и южного полюсов). ** При напряжении питания 1,8…5,0 В. |
|||||||
В зависимости от версии, микросхемы DRV5032 могут быть чувствительны к полярности внешнего магнитного поля. У биполярных версий выходное напряжение принимает низкий логический уровень при увеличении индукции магнитного поля выше порогового значения, независимо от полярности (рисунок 6). Это упрощает производство оборудования, поскольку в этом случае исключается операция позиционирования полюсов магнита. Униполярные версии (с суффиксами DU и FD) могут иметь два выхода: выход OUT1 переводится в состояние логического нуля при ориентировании магнита северным полюсом к прибору, а OUT2 – южным (рисунок 9). Возможность определения полярности магнитного поля расширяет функциональность конечных приложений, позволяя определять не только наличие объекта, но и его ориентацию. В микросхемах с суффиксом DU, выпускаемых в трехвыводном корпусе SOT-23, выход OUT1 отсутствует, и они позволяют определить лишь наличие магнита, ориентированного к датчику южным полюсом.
Тип выходов также зависит от версии прибора. В семействе присутствуют как микросхемы с двухтактным выходом, что дает возможность подключать выходы датчиков напрямую к портам микроконтроллера без использования внешних подтягивающих резисторов, так и приборы с выходом типа «открытый сток», позволяющие объединять выходы нескольких датчиков по схеме монтажного ИЛИ. Кроме этого, широкий диапазон напряжений питания 1,65…5,5 В позволяет использовать микросхемы DRV5032 с большинством популярных серий микроконтроллеров без использования дополнительных схем согласования уровней логических сигналов.
Для проведения измерений напряженности внешнего магнитного поля микросхемам DRV5032 достаточно в среднем 40 мкс. При этом все версии, кроме приборов с суффиксом FB, выполняют 20 измерений в секунду. Это позволяет при максимальном потребляемом токе 2 мА уменьшить величину его среднего значения до уровня 1,3…2,4 мкА. Еще большую экономичность обеспечивают микросхемы с суффиксом FB, у которых частота измерений уменьшена до 5 Гц, что позволяет довести средний ток потребления до уровня 0,54…1,6 мкА.
Структурная схема микросхем DRV5012 (рисунок 10) и их технические характеристики (таблица 2) во многом аналогичны DRV5032. Кроме рассмотренного выше метода формирования выходного сигнала, еще одной отличительной особенностью DRV5012 является возможность управления частотой измерений с помощью вывода SEL. При наличии низкого уровня на этом входе микросхема будет измерять напряженность магнитного поля 20 раз в секунду, а при установке логической единицы частота измерений увеличивается до 2,5 кГц. Это позволяет использовать данные приборы в приложениях как с медленными, так и с быстро протекающими процессами, а также оптимизировать энергопотребление системы в различных режимах работы.
Таблица 2. Технические характеристики микросхемы DRV5012
| Параметры | ||
|---|---|---|
| Чувствительность, мТл | 2 | |
| Тип выхода | Двухтактный | |
| Напряжение питания, В | 1,65…5,5 | |
| Максимальный ток в активном режиме, тип., мА | 2 | |
| Длительность активного режима, тип., мкс | 55 | |
| Продолжительность измерения, тип., мкс | 40 | |
| Рабочая температура, °С | -40…85 | |
| Корпус | X2SON | |
| Частота опроса, тип., Гц | 20 | 2500 |
| Средний потребляемый ток при напряжении питания 1,8…5,0 В, тип., мкА | 1,3…2,0 | 142…160 |
Малопотребляющие датчики Холла от Honeywell
В ассортименте одного из старейших производителей датчиков Холла – компании Honeywell – также присутствуют две модели малопотребляющих датчиков положения, отличающихся лишь чувствительностью.
Структурная схема (рисунок 11), технические характеристики (таблица 3) и принцип работы микросхем SM351 и SM353 во многом аналогичны рассмотренным выше микросхемам DRV5032 производства компании Texas Instruments. Для уменьшения энергопотребления питание на аналоговые узлы подается только во время измерений, продолжительность которых составляет 15 мкс. Коммутация питания осуществляется с помощью транзисторного ключа, управляемого таймером, содержащим тактовый генератор, счетчик, дешифратор и другие необходимые компоненты. Средняя частота измерений напряженности магнитного поля равна 10 Гц. При напряжении питания 1,8 В такой режим работы при типовом значении тока в режиме измерений около 1 мА позволяет уменьшить средний ток микросхемы до уровня, не превышающего 0,4 мкА.
Микросхемы SM351 и SM353 нечувствительны к полярности внешнего магнитного поля и имеют двухтактные выходы, позволяющие подключать их к микроконтроллеру без использования внешних подтягивающих резисторов. Оба прибора выпускаются в компактных корпусах SOT-23 и могут работать в широком диапазоне питающих напряжений (1,65…5,5 В) и температур (-40…85°С), что позволяет использовать их в автомобильной и промышленной электронике совместно с большинством наиболее популярных микроконтроллеров.
Таблица 3. Технические характеристики датчиков Холла производства Honeywell при напряжении питания 1,8 В
| Параметры | Наименование | |
|---|---|---|
| SM351 | SM353 | |
| Тип выхода | Двухтактный | |
| Напряжение питания, В | 1,65…5,5 | |
| Длительность активного режима, тип., мкс | 15 | |
| Рабочая температура, °С | -40…85 | |
| Корпус | SOT-23 | |
| Частота опроса, тип., Гц | 10 | |
| Чувствительность, мТл | 0,7 | 1,4 |
| Максимальный ток в активном режиме, тип., мА | 1 | 0,8 |
| Средний потребляемый ток, мкА | 0,36 | 0,31 |
В отличие от изделий Texas Instruments, датчикам Honeywell необходима другая ориентация магнитного поля. Для корректной работы внешние магниты должны быть ориентированы полюсами к торцевой поверхности микросхем (рисунок 12), в то время как для датчиков Texas Instruments такое расположение магнитов попадает в «слепую» зону.
Исследование характеристик датчиков Холла
Для проверки фактических характеристик малопотребляющих датчиков Холла мы сравнили микросхемы SM351LT и SM353LT компании Honeywell и DRV5032FA и DRV5032FB компании Texas Instruments. Эти приборы имеют одинаковые функциональное назначение, корпус и тип выходов и отличаются только чувствительностью, скоростью реакции и энергопотреблением. При подготовке статьи было проведено исследование пяти образцов микросхем каждой модели.
Схема и внешний вид измерительной установки показаны на рисунке 13. Каждый датчик смонтирован на отдельной макетной плате, содержащей керамический конденсатор С2, предназначенный для исключения переходных процессов в цепи питания, и резистор R3, позволяющий с помощью осциллографа контролировать форму потребляемого тока. При проведении измерений, не связанных с контролем временных диаграмм, резистор R3 замыкается внешней проволочной перемычкой.
Мультиметр PV1 предназначен для измерения среднего значения тока в цепях питания микросхем. Он измеряет падение напряжения на резисторе R1, сопротивление которого выбрано таким образом, чтобы при токе 1 мА разность потенциалов на нем была равна 200 мВ. Это позволяет на самом чувствительном пределе мультиметра 200 мВ измерять ток в диапазоне 0…1 мА с разрешением 0,005 мкА, что вполне достаточно для проведения исследований.
Электролитический конденсатор С1 предназначен для исключения возможной просадки напряжения во время измерений из-за увеличения внутреннего сопротивления источника питания после добавления резистора R1. Элементы R1 и С1 образуют фильтр нижних частот с постоянной времени 0,2 с, что намного больше длительности измерений (15 мкс для SM351LT и SM353LT, 40 мкс – для DRV5032FA и DRV5032FB).
Срабатывание датчика контролируется с помощью светодиода VD1, ток которого ограничивается резистором R2. Для исключения влияния нагрузки микросхемы на величину потребляемого ею тока светодиод подключен к положительному полюсу источника питания отдельным проводом, минуя фильтр R1C1.
Питание схемы осуществляется от регулируемого источника постоянного тока с контролем величины выходного напряжения. Поскольку измерение напряжения питания осуществляется до фильтра R1C1, его фактическое значение на выводах микросхем будет меньше на величину падения напряжения на резисторе R1, которое может достигать 60 мВ при напряжении питания 5 В. Поскольку проведенные исследования являются оценочными, этим можно пренебречь, ведь подключение мультиметра, обладающего хоть и высоким, но все-таки конечным внутренним сопротивлением, непосредственно к выводам питания микросхем привело бы к появлению дополнительной погрешности в измерениях тока.
Результаты измерений потребляемого тока приведены в таблице 4. Как видно из полученных данных, все исследованные датчики имеют хорошую повторяемость параметров, а полученные значения соответствуют типовым величинам, указанным в технической документации.
Анализируя зависимости средних значений потребляемого тока от напряжения питания (рисунок 14) можно увидеть, что энергопотребление приборов производства компании Texas Instruments меньше зависит от этого параметра, чем датчиков Honeywell. Вместе с этим, при напряжениях питания менее 4 В микросхемы Honeywell более экономичны, чем продукция Texas Instruments.
На графиках, изображенных на рисунке 14, также хорошо видно влияние частоты измерений на энергопотребление. Ток, потребляемый микросхемой DRV5032FA с частотой 20 Гц, во всем диапазоне питающих напряжений практически в два раза больше тока микросхемы DRV5032FB, имеющей частоту 5 Гц. Можно предположить, что DRV5032FB имеет минимально возможное энергопотребление для данной технологии, и дальнейшее уменьшение частоты измерений вплоть до нуля уже не окажет существенного влияния на величину потребляемого тока.
Таблица 4. Результаты измерений потребляемого тока при температуре 27°С
| Наименование | Образец | Напряжение питания, В | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,8 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,3 | 3,6 | 4,0 | 4,5 | 5,0 | 5,5 | ||
| SM351LT | 1 | 0,43 | 0,54 | 0,75 | 1,06 | 1,26 | 1,42 | 1,74 | 2,20 | 2,76 | 3,08 |
| 2 | 0,44 | 0,51 | 0,73 | 1,00 | 1,20 | 1,40 | 1,75 | 2,15 | 2,60 | 3,00 | |
| 3 | 0,46 | 0,54 | 0,76 | 1,04 | 1,26 | 1,43 | 1,76 | 2,19 | 2,63 | 3,19 | |
| 4 | 0,45 | 0,50 | 0,74 | 1,05 | 1,25 | 1,52 | 1,81 | 2,18 | 2,68 | 3,15 | |
| 5 | 0,45 | 0,52 | 0,72 | 1,03 | 1,25 | 1,45 | 1,73 | 2,17 | 2,76 | 3,14 | |
| Среднее значение | 0,45 | 0,52 | 0,74 | 1,04 | 1,24 | 1,44 | 1,76 | 2,18 | 2,69 | 3,11 | |
| SM353LT | 1 | 0,39 | 0,45 | 0,65 | 0,92 | 1,09 | 1,28 | 1,60 | 1,99 | 2,47 | 2,81 |
| 2 | 0,39 | 0,43 | 0,65 | 0,90 | 1,08 | 1,27 | 1,53 | 2,00 | 2,38 | 2,84 | |
| 3 | 0,37 | 0,47 | 0,68 | 0,92 | 1,07 | 1,27 | 1,61 | 1,95 | 2,50 | 2,90 | |
| 4 | 0,44 | 0,48 | 0,69 | 0,92 | 1,09 | 1,29 | 1,62 | 1,93 | 2,50 | 2,91 | |
| 5 | 0,40 | 0,47 | 0,67 | 0,93 | 1,12 | 1,32 | 1,60 | 2,01 | 2,41 | 2,93 | |
| Среднее значение | 0,40 | 0,46 | 0,67 | 0,92 | 1,09 | 1,27 | 1,59 | 1,98 | 2,45 | 2,88 | |
| DRV5032FA | 1 | 1,10 | 1,18 | 1,41 | 1,51 | 1,58 | 1,64 | 1,72 | 1,80 | 1,95 | 2,10 |
| 2 | 1,14 | 1,20 | 1,45 | 1,53 | 1,60 | 1,67 | 1,73 | 1,83 | 1,95 | 2,03 | |
| 3 | 1,12 | 1,21 | 1,51 | 1,59 | 1,65 | 1,70 | 1,79 | 1,85 | 2,00 | 2,20 | |
| 4 | 1,11 | 1,23 | 1,46 | 1,54 | 1,59 | 1,64 | 1,73 | 1,80 | 1,90 | 2,06 | |
| 5 | 1,07 | 1,14 | 1,39 | 1,48 | 1,52 | 1,60 | 1,67 | 1,75 | 1,86 | 2,05 | |
| Среднее значение | 1,11 | 1,19 | 1,44 | 1,53 | 1,59 | 1,65 | 1,73 | 1,81 | 1,93 | 2,09 | |
| DRV5032FB | 1 | 0,49 | 0,50 | 0,61 | 0,66 | 0,71 | 0,75 | 0,79 | 0,88 | 1,01 | 1,13 |
| 2 | 0,49 | 0,50 | 0,59 | 0,64 | 0,70 | 0,75 | 0,78 | 0,88 | 1,00 | 1,15 | |
| 3 | 0,50 | 0,53 | 0,62 | 0,66 | 0,71 | 0,76 | 0,83 | 0,90 | 1,02 | 1,16 | |
| 4 | 0,48 | 0,51 | 0,60 | 0,63 | 0,70 | 0,75 | 0,80 | 0,86 | 1,00 | 1,15 | |
| 5 | 0,49 | 0,52 | 0,61 | 0,65 | 0,70 | 0,75 | 0,81 | 0,91 | 1,03 | 1,17 | |
| Среднее значение | 0,49 | 0,51 | 0,61 | 0,65 | 0,70 | 0,75 | 0,80 | 0,89 | 1,00 | 1,15 | |
Форму тока, потребляемого микросхемами, можно увидеть, удалив перемычку и подключив осциллограф к резистору R3. Результаты измерений (рисунок 15) подтверждают, что он имеет ярко выраженный импульсный характер и отличается в активном и спящем режимах на несколько порядков.
Другой важной характеристикой датчиков Холла является чувствительность, определяющая особенности практического применения, а также требования к характеристикам и расположению источников магнитного поля. В технической документации на микросхемы указывается величина индукции в точке, соответствующей расположению корпуса прибора. Однако на напряженность магнитного поля существенно влияет расстояние, поэтому при использовании реальных магнитов датчик будет срабатывать на определенной дистанции, зависящей от их геометрических размеров и остаточной индукции.
Для оценки расстояния, необходимого для срабатывания датчика, можно воспользоваться документацией TI или информационными материалами, посвященными датчикам Холла. Для постоянных магнитов прямоугольной формы индукцию на расстоянии D от поверхностей полюсов магнита можно определить по формуле 2:
$$\vec{B}=\frac{B_{r}}{\pi}\times \left(\arg \tan \left(\frac{WL}{2D\times\sqrt{4D^{2}+W^{2}+L^{2}}}\right)-\arg \tan \left(\frac{WL}{2(D+T)\times\sqrt{4(D+T)^{2}+W^{2}+L^{2}}}\right)\right).\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$
А для цилиндрических – по формуле 3:
$$\vec{B}=\frac{B_{r}}{2}\times \left(\frac{D+T}{\sqrt{(0.5C)^{2}+(D+T)^{2}}}-\frac{D}{\sqrt{(0.5C)^{2}+D^{2}}}\right),\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
где W – ширина, L – длина, T – толщина, С – диаметр, Br – индукция магнита (рисунок 16).
Для этой цели также можно воспользоваться онлайн-калькулятором , доступным на сайте Texas Instruments. Преимуществом последнего варианта является возможность быстрого определения расстояния, на котором будет срабатывать конкретный прибор. Например, введя параметры постоянного магнита на странице, посвященной датчикам DRV5032, можно сразу определить как величину индукции в нужной точке, так и расстояния, на которых сработают все версии микросхем данной модели (рисунок 17).
Именно этот калькулятор и был использован для определения индукции, создаваемой используемым в измерениях цилиндрическим постоянным магнитом из материала N38 8 х 8 мм (рисунок 17).
Результаты измерений чувствительности датчиков приведены в таблице 5. Согласно полученным данным, при использовании указанного выше магнита датчики Texas Instruments срабатывали на среднем расстоянии 24 мм, что соответствует индукции 3,6 мТл, и восстанавливали исходное состояние на среднем расстоянии 33…34 мм (при индукции 1,45…1,48 мТл). Во время проведения исследований магнит перемещался по оси, перпендикулярной верхней плоскости микросхемы и проходящей через ее центр (рисунок 9). Согласно технической документации, соответствующие характеристики этих приборов должны находиться в пределах 1,5…4,8 мТл (срабатывание) и 0,5…3,0 мТл (восстановление) во всем диапазоне питающих напряжений. Таким образом, все образцы микросхем DRV5032FA и DRV5032FB полностью отвечают заявленным характеристикам.
При исследованиях датчиков Honeywell магнит перемещался в соответствии с рекомендациями производителя (рисунок 12). Датчики SM351LT срабатывали при среднем расстоянии между магнитом и микросхемой, равном 36 мм, что соответствует индукции 1,25 мТл, и восстанавливали свою работу на среднем расстоянии 39 мм, что соответствует индукции 1,0 мТл. Согласно технической документации, для микросхем SM351LT индукция срабатывания должна находиться в диапазоне 3…11 Гс (0,3…1,1 мТл), а отпускания – не менее 2 Гс (0,2 мТл), причем максимальное значение этой величины не нормируется. Как видно из результатов исследований, реальная чувствительность датчиков SM351LT оказалась несколько ниже величин, заявленных в технической документации, в отличие от микросхем SM353LT, срабатывавших при средней индукции 1,86 мТл (среднее расстояние 31 мм), находящейся в допустимом диапазоне 6…20 Гс (0,6…2,0 мТл).
Заключение
Охранные системы, счетчики энергоресурсов, медицинское оборудование, устройства интернета вещей – вот далеко не полный перечень приложений, в которых можно использовать датчики Холла, рассмотренные в данной статье. Ключевыми особенностями всей техники, в которой можно применить эти микросхемы, являются компактность и жесткие требования к энергопотреблению, ведь именно для этих целей они и были разработаны.
Несмотря на то, что рассмотренные приборы выпускаются разными производителями, по своим характеристикам они взаимно дополняют друг друга, обеспечивая комплексную аппаратную платформу, на основе которой разработчики могут решить множество практических задач.
Для правильной, надежной и безотказной работы современных изделий силовой и не очень электроники очень важно правильно определять величины и формы как напряжений, так токов, действующих в устройстве. От выбора такого, казалось бы, простого элемента, как измеритель электротока или напряжения, может зависеть и судьба проекта, и финансовые успехи или неудачи при эксплуатации, и даже жизни людей. Одним из самых подходящих для таких измерений (в дальнейшем, мы будем стараться использовать термин «преобразование», так как ООО «Лаборатория ДТиН» поддерживает мнение, что датчики по определению не являются измерительными приборами) вариантом являются измерители, работа которых основана на эффекте Холла. Преимуществом этих преобразователей являются отсутствие потерь энергии в контролируемой цепи, гальваническая развязка между входной и выходной цепями, быстродействие, способность работать в широком диапазоне температур и питающих напряжений, возможность непосредственного сопряжения с различными устройствами контроля и управления.
Точность измерителей электротока на эффекте Холла находится в пределах от 0.2 до 2 процентов и зависит, прежде всего, от примененной в конструкции прибора схемотехники. Они широко применяются в различных электроустановках, как правило, в цепях защиты, контроля и управления, но, например, в силу ряда ограничений практически никогда не применяются для коммерческого учета электроэнергии. Подобные преобразователи электрических сигналов можно найти и в современном сварочном аппарате, и в системе управления лифтом, и в автомобиле, работа железнодорожного транспорта немыслима ныне без этих устройств. Приборы, работающие на эффекте Холла, могут преобразовывать как переменный, так и постоянный электроток. Несмотря на то, что часто их называют «трансформатором тока», этот факт является их главным отличием и преимуществом.
Эффект Холла был обнаружен более 130 лет назад, американским ученым Эдвином Холлом, в ходе экспериментов с магнитными полями. С тех пор этот эффект описан многократно в самой разнообразной литературе. Основан он на появлении поперечной разности электрических потенциалов у проводника с постоянным током, находящегося в магнитном поле.
На что нужно обратить внимание при выборе прибора для измерений показателей
- Напряжение питания. Для промышленных измерительных приборов используется, как двуполярное (±12В, ±15В, ±18В, ±24В.), так и однополярное (+5, 12, 24 В.) питание. Выбор его зависит как от возможностей и потребностей разработчика, так и от условий сопряжения с блоками контроля и управления.
- Точность преобразования. Как мы уже упоминали, существующие измерители, работающие на эффекте Эдвина Холла обладают точностью от 0.2 до 2 процентов при этом этот параметр, как правило, определяется тем, как построен сам измеритель — по схеме прямого усиления или компенсационной, со 100% обратной связью. Как и в большинстве случаев, более точный измерительный прибор компенсационного типа на один и тот же номинальный электрический ток стоит дороже своего собрата, собранного по схеме прямого усиления, как правило, имеет большие габариты и однозначно большее потребление электротока от источника питания. Плюсами его будут не только большая точность, которую мы уже упоминали, но лучшие линейность и помехозащищенность.
- Диапазон преобразования. Такие конструкции способны преобразовывать входной сигнал в пропорциональный выходной или соответствующий цифровой сигнал силой тока от нескольких сот миллиампер до нескольких тысяч Ампер. Разумеется, подобный механизм на 10кА и больше, дороже своего собрата на 25А
- Корпус. Данные агрегаты могут иметь различные типы корпусов. Существуют варианты для установки на печатную плату, шасси или ДИН-рейку.
- Температура, при которой данные модули способны исправно работать. Так, пониженная рабочая температура для измерительных приборов, работающих с током и напряжением, как правило, −40 C, но существуют изделия, сохраняющие работоспособность и при −50, и даже −55C. Повышенная рабочая температура для большинства современных изделий достигает +85C, существуют образцы, работающие и при +105C.
Классификация преобразователей по принципу построения.
- Преобразователь прямого усиления. Достоинства — компактные размеры, небольшое энергопотребление, возможность работать с электросигналами от единиц ампер до десятков килоампер, невысокая цена. Применяются для работы с сигналами в диапазоне частот от постоянного тока до 25, реже 50 кГц. Ошибка преобразования и нелинейность в пределах единиц процентов. Этот вид изделий имеет высокую перегрузочную способность, относительно недороги и компактны.
- Измерители со 100% обратной связью, так же известные как «компенсационные», или «датчики с нулевым магнитным потоком». Как видно из названия, главным отличительным признаком его является наличие контура, замкнутого по магнитному потоку. Применяются такие устройства для преобразования первичного сигнал от сотен миллиампер до десятков килоампер, любой формы и частоты, начиная от постоянного тока и заканчивая на уровне 100-150-200 кГц. Компенсационные преобразователи данных сигналов отличаются лучшими точностью, линейностью, устойчивостью к внешним магнитным полям. Диапазон преобразования у этих инструментов ниже, чем у конструкций прямого усиления
- Датчик напряжения. Разновидность компенсационного устройства прибора преобразователя электросигналов, отличающаяся наличием встроенной первичной обмотки с большим количеством витков. Измерение напряжения происходит путем преобразования небольшого первичного сигнала (как правило, при номинальном напряжении его значение 5 или 10 мА, выбор зависит от разработчика), задаваемого включенным последовательно с первичной катушкой резистором, в пропорциональный выходной сигнал. Данные аппараты отличаются достаточно широким диапазоном входных напряжений, но имеют ограничения по частоте входного сигнала, так как первичная обмотка обладает существенной индуктивностью.
- Относительно новый тип преобразователя — интегральный, является развитием схемы прямого усиления. Достоинство — малые габариты, невысокая цена. За время с момента появления в 1879 году и до сегодняшнего дня аппараты, работающие на эффекте, открытом Эдвином Холлом изменились очень и очень заметно. Увеличились точность, надежность, существенно улучшилась температурная стабильность, неуклонно уменьшаются габариты и цены этих механизмов. Все эти улучшения стали возможны как в результате развития технологий в производстве электронных компонентов, так и в результате новых требований, предъявляемых к этому классу изделий. Все большее и большее применение находится им в современной жизни, насыщенной электронными и электрическими устройствами.
Современная промышленность выдвигает особые требования к надежности и стабильности работы преобразователей электрических данных, применяемых для контроля работы и управления сложнейшими системами. Это вынуждает продолжать совершенствовать конструкцию приборов, улучшая их технические характеристики, делая более и более надежными, простыми и удобными в применении.
Как правило, начинающий разработчик впадает в крайности, закладывает точность не хуже 0.1%, и частотную характеристику от 100кГц и потом долго удивляется тому, что предложенное ему решение стоит денег, сопоставимых с ценой половины, а то и всей его разработки. В большинстве современных применений за счет улучшения параметров силовых полупроводников точности в 1-2% оказывается более чем достаточно, и ключевым фактором в выборе преобразователей становится надежность и стабильность работы, но эти вопросы не связаны напрямую со схемотехникой и достойны отдельного рассмотрения.
В 1879 году, работая над своей докторской диссертацией в университете Джонса Хопкинса, американский физик Эдвин Герберт Холл проводил эксперимент с золотой пластинкой. Он пропускал по пластинке ток, разместив саму пластинку на стекле, причем дополнительно пластинка была подвергнута действию магнитного поля, направленного перпендикулярно ее плоскости, и, соответственно, перпендикулярно току.
Справедливости ради следует отметить, что Холл занимался в тот момент решением вопроса о том, зависит ли сопротивление катушки, по которой течет ток, от наличия рядом с ней , и в рамках этой работы ученым были проведены тысячи опытов. В результате же эксперимента с золотой пластинкой было обнаружено возникновение некоторой разности потенциалов на боковых краях пластинки.
Это напряжение получило название напряжения Холла . Можно грубо описать процесс следующим образом: сила Лоренца приводит к накоплению отрицательного заряда возле одного края пластинки, и положительного - возле противоположного края. Отношение же возникающего напряжения Холла к величине продольного тока, является характеристикой материала, из которого изготовлен конкретный элемент Холла, и эта величина получила название «холловское сопротивление».
Служит достаточно верным методом определения типа носителей заряда (дырочный или электронный) в полупроводнике или металле.
На основе эффекта Холла теперь изготавливают датчики Холла , приборы для измерения напряженности магнитного поля и определения силы тока в проводнике. В отличие от трансформаторов тока, датчики Холла дают возможность измерять и постоянный ток. Таким образом, области применения датчика Холла в целом весьма обширны.
Так как напряжение Холла мало, вполне логично, что к выводам напряжения Холла подключают . Для подключения к цифровым узлам, схему дополняют триггером Шмита, и получается пороговое устройство, которое срабатывает при заданном уровне напряженности магнитного поля. Такие схемы называют переключателями Холла.
Часто датчик Холла используется в паре с постоянным магнитом, и срабатывание происходит при приближении постоянного магнита к датчику на определенное, заданное заранее расстояние.
Довольно широко распространены датчики Холла в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах), где датчики устанавливаются прямо на статоре двигателя и играют роль датчика положения ротора (ДПР), который обеспечивает обратную связь по положению ротора, примерно как коллектор в коллекторном двигателе постоянного тока.
Закрепив постоянный магнит на валу, получим простой счетчик оборотов, а иногда достаточно экранирующего воздействия самой ферромагнитной детали на магнитный поток от . Магнитный поток, от которого обычно срабатывают датчики Холла, составляет 100-200 Гауссов.
Выпускаемые современной электронной промышленностью, трехвыводные датчики Холла имеют в своем корпусе n-p-n транзистор с открытым коллектором. Зачастую ток через транзистор такого датчика не должен превышать 20 мА, поэтому для подключения мощной нагрузки необходимо устанавливать усилитель тока.
Магнитное поле проводника с током, обычно, недостаточно интенсивное для срабатывания датчика Холла, поскольку чувствительность таких датчиков составляет 1-5 мВ/Гс, и поэтому для измерения слабых токов проводник с током навивают на тороидальный сердечник с зазором, а в зазор уже устанавливают датчик Холла. Так при зазоре в 1,5 мм магнитная индукция составит уже 6 Гс/А.
Измерить ток высоковольтного источника питания? Или ток, потребляемый стартером автомобиля? Или ток с ветрогенератора? Все это можно сделать бесконтактно с помощью одной микросхемы.
Melexis делает следующий шаг в создании экологичных решений, открывая новые возможности для бесконтактного измерения тока в приложениях возобновляемых источников энергии, гибридных электромобилей (HEV) и электромобилей (EV). MLX91206 является программируемым монолитным датчиком, основанным на технологии Triaxis™ Hall. MLX91206 позволяет пользователю построить небольшие экономичные сенсорные решения с малым временем отклика. Чип непосредственно контролирует ток, протекающий во внешнем проводнике, например, шине или дорожке печатной платы.
Бесконтактный датчик тока MLX91206 состоит из КМОП интегральной схемы Холла с тонким слоем ферромагнитной структуры на его поверхности. Интегрированный ферромагнитный слой (IMC) используется в качестве концентратора магнитного потока, обеспечивая его высокое усиление и более высокое отношение сигнал-шум датчика. Датчик особенно подходит для измерения постоянного и/ или переменного тока до 90 кГц с омической изоляцией, характеризуется очень малыми вносимыми потерями, малым временем отклика, небольшим размером корпуса и простотой сборки.
MLX91206 удовлетворяет спрос на широкое использование электроники в автомобильной промышленности, возобновляемых источниках преобразования энергии (солнечная и ветряная), источниках питания, управления двигателем и защите от перегрузки.
Области применения :
- измерение потребляемого тока в батарейном питании;
- преобразователи солнечной энергии;
- автомобильные инверторы в гибридных автомобилях и др.
MLX91206 имеет защиту от перенапряжения и защиту от обратного напряжения и может быть использован в качестве автономного датчика тока, подключенного напрямую к кабелю.
MLX91206 измеряет ток путем преобразования магнитного поля, создаваемого протекающими через проводник токами, в напряжение, которое пропорционально полю. MLX91206 не имеет верхнего предела измеряемого уровня тока, потому что выходной уровень зависит от размера проводника и расстояния от датчика.
Отличительные особенности:
- программируемый высокоскоростной датчик тока;
- концентратор магнитного поля, обеспечивающий высокое отношение сигнал/ шум;
- защита от перенапряжения и переполюсовки;
- бессвинцовые компоненты для бессвинцовой пайки, MSL3;
- быстрый аналоговый выход (разрешение ЦАП 12 бит);
- программируемый переключатель;
- выход термометра;
- ШИМ выход (разрешение АЦП 12 бит);
- 17-битный номер ID;
- диагностика неисправной дорожки;
- быстрое время отклика;
- огромная полоса пропускания DC - 90 кГц.
Как датчик работает :
MLX91206 представляет собой монолитный датчик, выполненный на базе технологии Triais ® Hall . Традиционная планарная Hall технология чувствительна к плотности потока, приложенного перпендикулярно к поверхности ИС. Датчик тока IMC-Hall ® чувствителен к плотности потока, приложенного параллельно поверхности IC. Это достигается за счет интегрированного магнитного концентратора (IMC-Hall ®), который наносится на CMOS кристалл. Датчик тока IMC-Hall ® может применяться в автомобильной промышленности. Он представляет собой датчик Холла, обеспечивающий выходной сигнал, пропорциональный плотности потока, приложенного по горизонтали, и поэтому подходит для измерения тока. Он идеально подойдет в качестве открытой петли датчика тока для монтажа на печатной плате. Передаточная характеристика MLX91206 является программируемой (смещение, усиление, зажимные уровни, диагностические функции...). Выход выбирается между аналоговым и ШИМ. Линейный аналоговый выход используется для приложений, требующих быстрого отклика (<10 мкс.), в то время как выход ШИМ используется для применения там, где требуется низкая скорость при высокой надежности выходного сигнала.
Измерение небольших токов до ±2 A
Небольшие токи могут быть измерены с помощью MLX91206 за счет увеличения магнитного поля через катушку вокруг датчика. Чувствительность (выходное напряжение по сравнению с током в катушке) измерения будет зависеть от размера катушки и числа витков. Дополнительная чувствительность и снижение чувствительности к внешним полям можно получить, добавив экран вокруг катушки. Бобина обеспечивает очень высокую диэлектрическую изоляцию, делая MLX91206 подходящим решением для высоковольтных источников питания с относительными малыми токами. Выход должен быть расширен, чтобы получить максимальное напряжение для больших токов с целью получения максимальной точности и разрешения при измерениях.
Рис.1. Решение для низкого тока.
Средние токи до ±30 A
С помощью одного проводника, расположенного на печатной плате, могут быть измерены токи в диапазоне до 30 А. При трассировке печатной платы необходимо учитывать допустимый ток и общую рассеиваемую мощность дорожки. Дорожки на печатной плате должны быть достаточно толстыми и достаточно широкими, чтобы непрерывно обрабатывать средний ток. Дифференциальное выходное напряжение для этой конфигурации может быть аппроксимировано следующим уравнением:
Vout = 35 мВ/ * I
Для тока 30 А, на выходе будет примерно 1050 мВ.
Рис.2. Решение для средних величин тока.
Измерение больших токов до ±600 A
Другим методом измерения больших токов на печатных платах является использование толстых медных дорожек, способных проводить ток на противоположной стороне печатной платы. MLX91206 должны быть расположены близко к центру проводника, однако, так как проводник очень широкий, выход менее чувствителен к расположению на плате. Эта конфигурация также имеет меньшую чувствительность в зависимости от расстояния и ширины проводника.
Рис.3. Решение для больших величин тока.
О компании melexis
Созданная более десяти лет, компания Melexis разрабатывает и производит продукцию для автомобильной промышленности, предлагая множество интегральных датчиков, ASSPs и СБИС. Решения Melexis чрезвычайно надежны и отвечают высоким стандартам качества, необходимым в автомобильных применениях.
Измерительная техникаДатчик тока на элементе Холла
Функциональная схема датчика тока компенсационного типа приведена на рис. 1 Чувствительный к магнитному полю элемент Холла находится в зазоре кольцевого магнитопровода.
Измеряемый ток Iизм, протекая по обмотке I. создает в магнитопроводе магнитный поток, наводящий в чувствительном элементе Холла ЭДС пропорциональную этому току. Снятый с элемента сигнал после усиления поступает на компенсационную обмотку II Протекающий по ней ток Iк создает в магнитопроводе магнитный поток противоположного направления. Магнитная система, элемент Холла и усилитель образуют петлю отрицательной обратной связи, поддерживающую равенство
где W1 и W|| - число витков обмоток I и II Включенный последовательно с обмоткой II резистор R1 преобразует компенсирующий ток в выходное напряжение датчика. Если выбрать сопротивление этого резистора в омах численно равным отношению числа витков обмотки II
к числу витков обмотки I то выходное напряжение в вольтах станет численно равным измеряемому току в амперах
Габаритный чертеж использованного в датчике элемента Холла ДХК-0.5А изображен на рис. 2 Напряжение Холла, пропорциональное управляющему току и индукции магнитного поля, измеряют между выводами +U и -U. Чувствительность элемента при номинальном значении управляющего тока 3 мА (втекающего в вывод +I и вытекающего из вывода -I) - 280 мВ/Тл. Указанные полярность напряжения и направление тока соответствуют вектору магнитной индукции В, направленному, как показано на рис. 2 стрелкой. Остаточное выходное напряжение (в отсутствие магнитного поля) не превышает 7 мВ Входное сопротивление (между выводами I) - 1,8...3 кОм, выходное (между выводами U) - не более 3 кОм.
Если имеется элемент Холла неизвестной чувствительности, ее можно определить экспериментально, поместив элемент в воздушный зазор длиной d любого магнитопровода на котором намотано известное число витков W любого провода К "токовым" выводам элемента подключают источник управляющего тока, а к двум другим - милливольтметр. По обмотке пропускают постоянный ток I. Чувствительность (мВ/Тл) - частное от деления показаний милливольтметра на магнитную индукцию, вычисленную по формуле
Схема датчика тока показана на рис. 3 Магнитная система изображена на ней как трансформатор Т1, в зазор магнитопровода которого вставлен элемент Холла В1. Усилитель собран на ОУ DA1 и транзисторах VT2, VT3. Стабилизатор тока на транзисторе VT1 задает протекающий через элемент Холла управляющий ток.
Для питания датчика необходим биполярныи источник постоянного напряжения +/-15 В Основной потребитель его энергии - обмотка II трансформатора Т1. В описываемой конструкции обмотки намотаны на ферри-товом кольце от блока питания компьютера. Обмотка II - 1000 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0.15 мм Поверх нее намотана обмотка 1 - 10 витков изолированного монтажного провода сечением 0,35 мм2. В кольце сделан воздушный зазор длиной 2 мм - она равна толщине вклеиваемого в зазор элемента Холла
Необходимо отметить что магнито-провод не обязательно должен быть ферритовым, он может быть изготовлен из любого ферромагнитного материала Оптимальная площадь сечения магнитопровода - 10...12 мм2. Стремиться к увеличению сечения не следует Это приведет к возрастанию длины витков компенсационной обмотки и, следоватепьно. ее сопротивления По этой же причине для компенсирующей обмотки следует выбирать провод возможно большего диаметра.
Изготовленный датчик изображен на рис. 4, а его передаточная характеристика - на рис. 5 Она была снята при измерении синусоидального тока частотой 50 Гц. По осям графика отложены эффективные значения тока и напряжения В приборе отсутствовал резистор R4. что обеспечило коэффициент преобразования тока в напряжение 1 В/А, постоянный в интервале значений измеряемого тока 0,25...6 А.
Нарушение линейности характеристики при малом токе объясняется тем, что усилитель мощности на транзисторах VT2 и VT3 работает в классе В без начального смещения. Причина нелинейности при больших значениях тока - ограничение сигнала в ОУ К140УД7, в результате чего форма компенсирующего тока уже не совпадает с формой измеряемого и полноценной компенсации магнитных потоков в магнитопрово-де не происходит.
Установив параллельно резистору R3 такой же резистор R4, удалось сделать характеристику линейной при измерении тока до 10 А. Однако коэффициент преобразования уменьшился до 0,5 В/А.