Интегрални схеми със сензори на Хол

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2009

Стефан Куцаров
  Съществуват много класически технически решения, чиито особености вече влизат в противоречие със съвременните разбирания за реализация на електрически и електронни апаратури. Сред типичните примери са електрическите контакти, чиито недостатъци са добре известни, както и измерването или регистрирането на големи токове чрез пропускането им през нискоомни резистори. От друга страна все повече стават механичните системи, в които се налага непрекъснат и безотказен контрол на положението на движещи се части. Сред многобройните начини за решаване на тези и други подобни проблеми важно място заемат елементите на Хол и особено най-новите разновидности с вграждането им в интегрални схеми (ИС), на които е посветена настоящата статия.

Ефект на Хол
Откритият през 1879 г. от Edwin Hall ефект представлява получаването на електрическо напрежение между две от стените на пластинка от проводник или полупроводник когато през нея протича електрически ток I и тя е поставена в магнитно поле. Напрежението UH = BxId/(qnS) зависи линейно от магнитната индукция В на полето (мерна единица тесла Т или гаус, G като 1G=0,1 mT). Тази зависимост е едно от големите предимства на сензорите на Хол, тъй като позволява прецизно измерване в широки граници на В чрез UH. Величината Id/(qnS) представлява чувствителността на елементите на Хол, която показва с колко mV се променя UH при изменение на В с 1 mT или 1 G и е с измерение съответно mV/mT или mV/G. За нейното увеличаване трябва през елемента да се пропуска по-голям ток, той да е с голяма дебелина d и малко напречно сечение S. С n е означена концентрацията на токовите носители в пластинката и тъй като в полупроводниците тя е по-малка, чувствителността на елементите на Хол с тях е по-голяма отколкото на тези от метал. Величината q е зарядът на електрона. Важно е да се добави, че изразът за напрежението UH е в сила при перпендикулярно спрямо сензора магнитно поле и стойността му намалява, когато полето е под ъгъл. Едно от често използваните символични означения на елемент на Хол е дадено на фиг. 1, като между левия и десния извод се получава UH, а през другите два протича токът I.

Пропорционални сензори (Radiometric Linear Hall Sensor)
Изходното напрежение на елементите на Хол е твърде малко (изменя се с десетки mV при промяна на магнитното поле с 1 mT), поради което самостоятелното им използване е рядкост. За измерване на достатъчно малки В се налага усилване на напрежението, което най-ефективно се прави чрез вграждане в една ИС на елемента и усилвателя, често придружавани от допълнителни блокове. Именно това представляват пропорционалните сензори, идея за чиято структура е дадена на фиг. 2а.
Положителното захранващо напрежение VCC се стабилизира от REG, за да се намали влиянието на промените му върху изходното напрежение на сензора. Транзисторът, който в някои ИС е NMOS, не е задължителен и се поставя за осигуряване на достатъчно голям ток на изхода OUTPUT. Поради единичното захранване изходното напрежение без магнитно поле (Offset Voltage) VoutО е равно на 0,5VCC, нараства над тази стойност при приближаване на единия полюс (N или S в зависимост от модела) на магнит към предната част на сензора и намалява под нея при приближаване на другия полюс. Тази част е винаги под едната от големите страни на корпуса на ИС, която е подходящо маркирана. В каталозите е дадено точното място на сензора (пример на фиг. 2б) и активната дебелина, представляваща разстоянието между него и маркираната страна.
Линейната зависимост на VoutO от магнитната индукция В е в сила само в определени нейни граници, на които съответстват минималното VsatL и максималното VsatН изходно напрежение, което е показано на фиг. 2в. Тези напрежения обикновено се дават като параметри на ИС. Сред основните параметри е и споменатата чувствителност S. Тя позволява да се изчислят максимално допустимите стойности на В – за графиката на фиг. 2в тази за южен полюс е BS = (VoutO – VsatL)/S и за северен полюс BS = (VsatH – VoutO)/S, като обикновено двете са равни и едната се означава като положителна, а другата е отрицателна. При променливо магнитно поле се получава променливо изходно напрежение, а максималната честота на двете е параметърът честотна лента BW на сензора и при нея S намалява с 30% в сравнение с постоянно поле.
За много приложения е съществено, че VoutO зависи от температурата, което въвежда грешка при измерването на В. Поради това в повечето каталози има графики VoutO (t°), като трябва да се има предвид, че често при едната посока на магнитното поле напрежението нараства, а при другата намалява. При това наклонът не е еднакъв в различните сензори, т.е. при едни температурата влияе по-силно, а при други – по-слабо.
Освен дадените до тук специфични параметри, пропорционалните сензори имат и характерните за други видове ИС консумиран ток ICC, изходно съпротивление Rout, изходно шумово напрежение (Output Noise) Vn и допустими граници на околната температура TA.
В редове 1-4 на табл. 1 са дадени основните параметри на класически пропорционални сензори. Сензорът в ред 5 има вход за поставянето му в режим sleep чрез подаване на подходящо логическо ниво, при което ICC намалява на 25 mA. Същевременно изходът преминава в състояние на висок импеданс (Rout > 4 MW), което позволява непосредствено свързване на изходите на повече сензори към вход на друга схема.
Освен грешката в определяне на В поради влиянието на температурата такава се получава и заради постоянните магнити, използвани в много случаи за създаване на магнитното поле, чиято индукция също зависи от температурата. За осигуряване на възможност за компенсиране на тези две влияния се използват програмируеми сензори, в които освен това може да се програмира и стойността на S заедно с някои други параметри. Характерен пример e MLX90215 с основни параметри в табл. 1. Показаните граници на S са разделени в 7 обхвата, например първият и вторият са от 4,1 до 9,2 mV/mT и от 6,2 до 14,6 mV/mT, като във всеки има 1023 стъпки. Самото програмиране се извършва като захранващото напрежение се увеличи на 13 V, при което изходът на сензора се превръща във вход за програмиращото двоично число, което се запомня в регистър. По подобен начин се програмира стойността на VoutO, но обхватите са два със същия брой стъпки. И последното програмиране е на температурната зависимост на VoutO, като има 7 стойности с отрицателен наклон (чувствителността намалява с увеличаване на температурата) и 24 – с положителен наклон. И трите програмирани величини могат да се запишат в еднократно програмируема памет (OTPROM) чрез краткотрайно увеличаване на захранващото напрежение до 18 V. Друга важна особеност е използването в ИС на усилвател с накъсване на сигнала (Chopper Amplifier), който осигурява големите стойности на S и много малки нежелани промени на VoutO. Също с аналогов изход е сензорът в последния ред на табл. 1, на който може да се програмират обхватът на В, стойността на VoutO и температурния му коефициент с помощта на кит, свързан към компютър.
Пропорционалните сензори са с универсално приложение и могат да се използват за измерване на индукцията на магнитни полета, за измерване на ток чрез създаваното от него магнитно поле и на механични величини, свързани с преместването или движението на постоянен магнит. Два примера за последното са дадени на фиг. 3. При тях върху мястото на задната страна на корпуса където е елементът на Хол е залепен постоянен магнит, а при наличие на магнитен материал от предната страна той концентрира магнитния поток върху елемента и съответно увеличава изходното напрежение на сензора. Така при залепване на южния полюс и преминаване на зъб от колело (фиг. 3а) напрежението на сензора нараства над VoutO, докато при залепване на северния полюс и отвор в диск от магнитен материал (фиг. 3б) напрежението намалява.

Сензори за механични премествания
Като такива могат да се използват пропорционалните сензори, както и специално разработени за определен тип или типове премествания. По принцип механичното преместване се измерва чрез изходното напрежение на сензора, което от своя страна е пропорционално на магнитната индукция В на пресичащото го поле. Стойността на В зависи от вида на създаващия полето постоянен магнит и неговото разстояние до сензора. Последното е между близкия до сензора полюс на магнита и елемента на Хол в сензора (фиг. 4) и се нарича ефективна въздушна междина (Total Effective Air Gap) TEAG.
С пропорционални сензори могат да се измерват линейни премествания по два начина. Първият е перпендикулярно движение на постоянния магнит спрямо сензора (head-on mode of operation), при което В намалява по нелинеен закон с увеличаване на TEAG. Графиката B(TEAG) на постоянните магнити обикновено се дава в каталозите им и от нея за минималната В, която може да бъде измерена, се определя максималната TEAG и чрез нея при известна стойност на l (давана в документацията на сензора) може да се изчисли d. Недостатък на този начин е, че трябва да се осигури магнитът да не докосва сензора, защото може да го повреди. Вторият начин е движение на магнита успоредно на сензора (Slide-on mode of operation), като се измерва разстоянието D между средите им при запазване на неизменна TEAG (фиг. 6б), като този начин е безопасен за сензора и затова е по-често използваният, но в каталозите на магнити не се дават зависимостите на В от D.
Сред специализираните сензорите са тези за задействане с пластинка от магнитен материал (Hall Effect Vane Sensor). Те представляват модули с монтирани магнит и ИС. Преминаването на пластинката (например въртящ се диск за измерване на обороти) прекъсва магнитното поле върху ИС, докато при липсата й то съществува, което определя двете стойности на изходното напрежение.
Съществуват и специализирани сензори за измерване на ъгъл на завъртане, чието постоянно изходно напрежение Vout е практически негова линейна функция. Пример е серията RPN на Honeywell, която може да е измерва в границите ±45°, при което Vout се променя между 0,25 и 4,75 V, т.е. с 50 mV на градус. Точността на измерване е ±0,5°, а външното оформление е като модул с отвори за закрепване. За измерване на ъгли от 360° с разрешаваща способност 0,05° и грешка 0,5° е предназначена ИС 2SA-10 на Sentron (Melexis). Тя съдържа 4 елемента на Хол, разположени на 90° един от друг по окръжност с диаметър 0,2 mm. Върху тях има кръгъл диск от магнитно мек материал със същия диаметър, който превръща успоредното на ИС магнитно поле в перпендикулярно за сензорите. Едната двойка елементи създава напрежение, което след усилване се получава на един от изводите на ИС и е пропорционално на синус от ъгъла на завъртане q на магнитното поле спрямо надлъжната ос (успоредна на изводите) на ИС. На другия извод е напрежението от втората двойка, пропорционално на косинус от ъгъла. Напреженията се подават на външен микроконтролер, който ги обработва и осигурява напрежение или цифров сигнал, представляващи линейна функция на q. Нормалната работа се осигурява при магнитна индукция между 20 и 40 mT, но сензорът издържа до 1T без опасност от повреда. Основният начин за измерване на q на въртяща се ос е чрез прикрепване към нея на постоянен магнит с радиално разположени полюси (фиг. 5а). Пример за монтирането на самата ИС в сензор е даден на фиг. 5б. За увеличаване на разрешаващата способност може да се използва втори магнит с n-двойки полюси, при което нейната стойност е 0,05/n°. Със сензорите могат да се измерват и линейни премествания успоредно на ИС (фиг. 5в), като растоянието между оста на магнита и сензора е право пропорционално на отношението на двете изходни напрежения.
Същият принцип на действие има ИС MLX90324 на Melexis, но благодарение на вградените й памети, микроконтролер и цифров сигнален процесор изходите могат да се програмират за получаване на напрежения, на PWM импулси и на данни в съответствие с протокола SENT, всички пропорционални на q. Освен това тя работи нормално при В между 20 и 70 mT.
Разгледаните дотук сензори за механични премествания имат две несъвършенства – при неголямо нежелано раздалечаване на сензора и измервания обект (например поради вибрации) стойността на В може да намалее под допустимата си минимална стойност и сензорът да престане да работи, а при наличие на достатъчно голямо външно магнитно поле (Pre-induction) да бъде надхвърлена максималната В със същия ефект. Това се избягва при диференциалните сензори, които съдържат два еднакви елемента на Хол на разстойние 2-3 mm един от друг и свързани на входа на диференциален усилвател. При нужда от споменатото залепване върху сензора на постоянен магнит той трябва да обхваща и двата елемента. Пример е TLE4923, който работи нормално при външно магнитно поле с В до 500 mT и може да регистрира разлики между В върху двата елемента до 40 mT.

Eднополярни ключове
Много голямо приложение имат специализираните сензори с хистерезис, които обикновено се наричат Hall Effect Switch IC. Изходното им напрежение има само две стойности, което се постига чрез използване на тригер на Шмит (фиг. 6а). Изходният транзистор е с отворен колектор и позволява свързване между изхода OUTPUT и захранващото напрежение VCC на светодиоди, лампи, релета и тиристори. Благодарение на широките граници на VCC при поставяне на резистор могат да се задейства практически всяка фамилия цифрови интегрални схеми. Съществуват сензори с NMOS транзистор с отворен дрейн и такива с класическо CMOS изходно стъпало. Последните не изискват външен резистор, но имат значително по-малък изходен ток (например даденият в ред 6 на табл. 2).
Първият вид са еднополярните ключове (Unipolar Hall Effect Switch), предназначени за задействане от един от полюсите на постоянен магнит (обикновено южния), движещ се успоредно или перпендикулярно на тях. В съответствие с тяхната магнито-електрическа характеристика (фиг. 6б) при малки стойности на В (магнитът е далече) изходното напрежение е равно на захранващото, при достигане на работната точка (Operating Point) BОР (магнитът е над сензора) то намалява със скок (реално за няколко десети от ms) и по същия начин се възстановява, когато при отдалечаване на магнита стойността на В намалее до точката на отпускане (Release Point) BRP. Съществен параметър е широчината на хистерезиса ВН. Характерни приложения са като безконтактни ключове, в безколекторни постояннотокови електродвигатели (BLDC), за регистриране на линейни и кръгови премествания, за определяне на положението на зъбни колела и гърбични валове. Пример за последните два случая е даденият на фиг. 3а, като при липса на зъб срещу сензора потокът се разсейва и В е много малка. Основните параметри на еднополярни ключове са дадени в табл. 2. Специфична особеност на дадения в ред 8 е наличието на втори изход с характеристика на фиг. 6в. Съществуват и ИС с два ключа с еднакви параметри, но единият се задейства от южен, а другият – от северен полюс. Пример е даденият в последния ред на табл. 2, чийто елементи на Хол са на разстояние 2,35 mm един от друг.
Разновидност са сензорите за измерване на оборотите на зъбни колела (Hall Effect Geartooth Sensor), в чийто корпус освен ИС е поставен и постоянен магнит, а действието им е в съответствие с фиг. 3а. Специфичен параметър са границите, в които могат да се измерват обороти - обикновено от 10-20 до няколко хиляди.

Двуполярни ключове
Те също имат структурата на фиг. 6а, но поради различния усилвател двете стойности на изходното им напрежение се получават при наличие пред сензора на единия или другия полюс на постоянен магнит. По-голямо е приложението на ключове с характеристика в съответствие с фиг. 7а, докато тези според фиг. 7б се използват по-рядко. Взаимното разположение на сензора, съответстващ на фиг. 7а и постоянния магнит е показано на фиг. 7в, като лявото положение съответства на малко изходно напрежение, а дясното – на голямо напрежение. Тъй като при намаляване на В до 0 изходното напрежение не се променя, често се използва наименованието Bipolar Hall Sensor Latch. Основните параметри на двуполярни ключове са дадени в табл. 3, като тези на редове 1-4 са с характеристиката на фиг. 7а, а на ред 5 е с два изхода с характеристики на фиг. 7а и 7б. Ключът TLI4946K е бърз – максимална работна честота 15 kHz, докато MLX92213 е микромощен и има разрешаващ вход, чрез който се изключва. В ключа DN6851 е вграден резистор, който улеснява свързването на изхода към цифрови ИС.
Съществуват и програмируеми двуполярни ключове с типичен пример HAL 1000 (Micronas), който позволява задаване на вида на магнито-електрическата характеристика и съответно работа като еднополярен ключ (фиг. 6а и 6б) и двуполярен (фиг. 7а и 7б). Освен това се програмират стойностите на BOP и BOR в 8 обхвата, като най-малкият е от -30 до +30 mT, а най-големият – от -150 до +150 mT и във всеки от тях са осигурени по 214 стъпки. Може да се програмира и зависимостта на ВОР и BOR от температурата, за да се компенсират частично промените на В на използваните магнити.
Приложенията на двуполярните ключове са подобни на еднополярните, но задействането им става чрез постоянни магнити с редуващи се южен и северен полюс. Това създава допълнителни удобства, например за определяне на посоката на въртене и в запалителните системи на автомобилите. Подходящи са и за установяване на положението на ротора на безколекторни постояннотокови електродвигатели с индустриални и битови приложения.

Универсални ключове (Omnipolar Hall Switch)
Този трети тип ключове дължи своето наименование на еднаквото си задействане от северния и южния полюс на постоянен магнит. Тези прибори могат да се използват за същите цели, както еднополярните ключове, но имат предимства в безконтактни ключове за регистриране на отваряне и затваряне на врати, прозорци, капаци на прибори и др. под. Причината е улесненият монтаж, тъй като не е необходимо да се определя полярността на задействащия ги магнит. Независимо от това той трябва да е откъм маркираната страна на корпуса. Типичната магнито-електрическа характеристика на фиг. 8а показва, че при магнитна индукция над ВОР (тази на южния полюс е приета за положителна и означена с BOPS, а BOPN на северния е отрицателна) изходното напрежение се сменя от голямата на малката си стойност, а при намаляване под по-малката BOR смяната е в обратна посока. В табл. 4 са дадени основните параметри на универсални ключове. Този в ред 1 има извод за програмиране, чрез свързване на който към захранващото напрежение или маса се установява една от характеристиките на фиг. 8. Ключът в ред 2 може да се привежда в sleep режим с консумация 3,5 mA. Специфична особеност на ключа в ред 4 е наличието на два изхода, като напрежението на единия реагира на южен, а това на другия – на северен полюс.

Токови сензори
Двете им основни предимства спрямо класическият начин на измерване на ток чрез поставяне във веригата му на нискоомен резистор са, че тя не се прекъсва и че се разсейва значително по-малка мощност. Действието на токовите сензори се основава на създаването около прав проводник с протичащ ток I в А на магнитно поле с индукция B= 0,2I/d, mT, където d в mm e разстоянието между центъра на проводника и активната площ на елемента на Хол в сензора. При известна чувствителност S на последния неговото изходно напрежение е Uout = SB. В част от токовите сензори като параметър се дава именно S с наименование магнитна чувствителност и при тях токът в А е I = 5Uout[mV]xd[mm]/S[V/T], т.е. неговата стойност може да се определи при известно d. Изходите на сензорите от този вид могат да са несиметричен и диференциален. В първия случай изходното напрежение при В=0 е половината от захранващото, нараства при поле в едната посока (“положително”) и намалява, когато то е в в обратна посока (“отрицателно”). Във втория случай при В=0 изходното напрежение е 0, става положително при В>0 и отрицателно, когато BПри измерване на токове през кръгъл проводник (фиг. 9а) маркираната повърхност на сензора обикновено се допира до него. По подобен начин се постъпва при измерване на тока през пътечка на печатна платка (фиг. 9б) и този на метална шина (фиг. 9в). За концентриране на магнитното поле се използват различни похвати. На фиг. 9г е показан магнитен пръстен, в чиито процеп се поставя сензорът. Друг начин за концентриране на полето от тоководеща шина чрез малък ферит е даден на фиг. 9д. За увеличаване n-пъти на чувствителността може върху пръстена да се направят n-навивки от проводника или под сензора да минат n-пътечки на печатната платка. Това се използва главно за измерване на токове под 10 А, като долната граница зависи от n.
В редове 1 и 2 на табл. 5 са дадени основните параметри на токови сензори, с които може да се измерва ток по описаните начини. Тяхно предимство е и възможността за измерване на всякакви магнитни полета, например създавани от постоянни магнити. С Io е означен максималният изходен ток на сензора.
Друга разновидност са сензорите, през които протича измерваният ток, т.е. те се монтират в процеса на разработка на устройствата и не могат да се отстраняват. Поради това разстоянието d е фиксирано и чувствителността има измерение mV/A, представляващо промяната на изходното напрежение при изменение на тока с 1 А. Освен това вместо Bmax като параметър се дава максималният измерван ток Imax. На фиг. 10 е дадена част от ИС, през която протича токът, заедно със сензора на Хол. Характерен пример е сензорът от ред 3 на табл. 5.
Значително повече са модулите за измерване на ток, които обикновено имат отвор за преминаване на проводника. Те позволяват измерване на значително по-големи токове от ИС, а някои са и с твърде малки размери. Пример за последните е даден в ред 4 на табл. 5.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top