Цифровые и аналоговые датчики Холла
6 февраля
Константин Кузьминов (г. Заполярный)
На складе компании КОМПЭЛ присутствует широчайшая линейка датчиков Холла производства китайских и восточноазиатских компаний, не уступающих качеством изделиям ведущих мировых производителей и предназначенных для индикации наличия/отсутствия магнитного поля (в том числе – с определенным положением его вектора), определения скорости и направления вращения, автомобильных, для управления маломощным электроприводом (например, в системах кондиционирования и вентиляции), угла поворота, 3D – и других применений.
В ноябре 1879 года в American Journal of Mathematics была опубликована статья «О новом действии магнита на электрические токи», в которой физик Эдвин Холл описал обнаруженный им эффект возникновения перпендикулярного (основному) тока в тонкой пластине золота, помещенной в магнитное поле (рисунок 1). Через 18 лет Дж. Дж. Томсон открыл электрон, тремя годами позже Друде создал теорию электронной проводимости металлов, а квантовая физика породила целое семейство эффектов Холла (квантовый, спиновый, аномальный и другие, но когда речь идет о датчиках, то имеется ввиду обычный эффект Холла). Несмотря на столь стремительное развитие физики, потребовалось более полувека, чтобы появление полупроводников сделало возможным широкое практическое применение эффекта Холла в качестве датчиков. Впрочем, такая же участь была уготована и магниторезистивному эффекту, открытому У. Томсоном еще в 1856 году и используемого сейчас в датчиках, известных как AMR (анизотропные), а также TMR (туннельные) и другие.
Рис. 1. Схематичное изображение принципа действия датчика Холла
Магниточувствительный элемент (МЧЭ) современного датчика Холла (ДХ) изготавливается по технологии интегральных схем. Это позволяет разместить на одном кристалле все необходимые компоненты: источники опорных тока и напряжения, компенсаторы влияния температуры, усилители слабого сигнала от элемента Холла, триггеры и компараторы, выходные драйверы и прочее. Структура современного датчика Холла с аналоговым выходом показана на рисунке 2.
Рис. 2. Структура простого датчика Холла с аналоговым выходом
Технология изготовления элементов Холла позволяет обеспечить чувствительность как к параллельному, так и к вертикальному направлениям магнитного потока по отношению к базовому кристаллу. Ничто не мешает и дальнейшей интеграции: преобразованию аналогового сигнала в частотный, дискретный или цифровой сигнал, увеличению числа МЧЭ с ориентированием в разных плоскостях и/или со смещением относительно друг друга и так далее, в том числе – с размещением на кристалле АЦП и/или микроконтроллера для лучшего распознавания и преобразования сигнала. Это открывает для датчиков Холла невероятно широкие возможности – от измерения силы тока и простейших переключателей (например, реакция ноутбука на закрытие крышки обеспечивается магнитом и дискретным или цифровым ДХ) до сложнейших энкодеров с различными интерфейсами – и обеспечивает им применение во множестве областей:
- Автомобильные системы;
- Системы охраны;
- Технологическое оборудование;
- Робототехника;
- Медицинские приборы;
- Измерительный инструмент;
- Бытовая техника, музыкальные инструменты и игрушки.
Практически любое перемещение чего-либо в пространстве можно отследить с помощью датчика Холла и магнитной системы. Например, на рисунке 3 показано применение ДХ с аналоговыми, дискретными и цифровыми выходами: клавиша цифрового пианино, где датчик Холла с аналоговым выходом позволяет отследить не только срабатывание клавиши, но и скорость нажатия (а); энкодер направления вращения и счетчика оборотов на ДХ с дискретными выходами (б); джойстик на 3D-датчике, например, OCH1970QAD компании Orient-Chip (в).
Рис. 3. Некоторые применения различных датчиков Холла
Датчик Холла – очень надежное устройство: взаимодействие с магнитным полем бесконтактно, то есть обеспечивается гальваническая изоляция и отсутствует механическое взаимодействие (магнит и датчик могут находиться в изолированных средах), а слишком сильное магнитное поле не способно повредить МЧЭ. Многие интегральные датчики снабжены комплексом защит: от неправильной полярности питания, перегрузки выхода, электростатических разрядов.
Следует отметить, что перемещение магнита – не единственный способ вызвать реакцию датчика. Например, магнит можно зафиксировать с одной стороны датчика, а с противоположной изменять положение стальной детали (зубчатого колеса).
Скорость переключения датчика Холла определяется задержками в его электронной схеме и может составлять от десятков до нескольких сотен килогерц.
Виды и особенности датчиков Холла
Важнейшая характеристика любого датчика Холла – его чувствительность к магнитному полю. Данная характеристика выражается как отношение выходного напряжения к магнитной индукции (мВ/мТ или мВ/Гс, 1 Гс (гаусс) = 0,1 мТл (миллитесла)), и, для ратиометрических датчиков (у которых напряжение выходного сигнала изменяется пропорционально напряжению питания) – допустимый диапазон изменения магнитной индукции, в пределах которого происходит изменение сигнала. Далее датчики Холла можно разделить на две группы по назначению:
- Для измерения силы тока. Эти датчики могут быть как законченными устройствами, которые имеют корпус с разъемом или проводами и устанавливаются на конструкционные элементы какого-либо оборудования, так и интегральными, в виде компонента, устанавливаемого на печатную плату. Более подробно про датчики Холла для измерения тока можно прочитать в «Руководстве по выбору датчиков тока и трансформаторов тока».
- Все остальные интегральные датчики. Их основное отличие от датчиков тока в том, что в они не содержат интегрированных шунтов или сердечников. Именно эти датчики и будут рассмотрены далее.
В зависимости от способа предоставления информации о магнитном потоке интегральные датчики Холла можно разделить на несколько групп, однако следует учитывать, что один датчик может принадлежать и нескольким группам сразу:
- Линейные датчики с выходным сигналом в виде аналогового напряжения или широтно-импульсной модуляции (ШИМ), пропорциональным магнитной индукции.
- Пороговые (переключающиеся и защелкивающиеся) датчики. В зависимости от исполнения сенсора выходы этих датчиков под влиянием магнитного поля принимают одно из двух логических состояний (0, 1), высокоимпедансное (Z) или неопределенное.
- Датчики с цифровым выходом – передача цифровых данных по какому-либо интерфейсу, обычно SPI/I2C.
- Программируемые датчики, некоторые параметры которых (например, чувствительность к магнитному полю) возможно изменить/ограничить и сохранить во встроенной EEPROM. Программироваться они могут через линии питания.
- Многоосевые датчики (несколько элементов Холла, ориентированных в разных направлениях).
- Датчики для определения угла поворота.
- Датчики с комбинированным выходом. В таких датчиках может быть несколько вариантов выходов, например, противоположно переключающиеся, или квадратурный выход (от двух, разнесенных на определенном расстоянии, МЧЭ), а также дополнительные информационные выходы, например, сигнал ошибки.
- Датчики Холла, комбинированные с другими типами датчиков или специализированные для определенного применения. Примеры: комбинация с магниторезистивными может применяться для измерения угла поворота магнита (магниторезистивный элемент с синусоидальным выходом) и количества и скорости оборотов (элемент Холла с квадратурным выходом); комбинация с драйверами маломощных электромоторов применяется для вентиляторов.
Количество элементов Холла может быть различным, поэтому в каждой группе могут быть 1D-, 2D- или 3D-варианты, но, как правило, многоосевые датчики имеют цифровой выход, а линейные датчики строятся на одном элементе.
Полярность напряжения Холла (VHALL, рисунок 1) зависит от направления вектора магнитной индукции. Это приводит к очень важной характеристике ДХ, разбивающей их на подгруппы: зависимость выхода сигнала от направления магнитного потока. Она описывается как биполярная, униполярная, омниполярная, и будет рассмотрена далее. Иными словами, разработчик должен учитывать, какой полюс магнита и как должен вызывать реакцию датчика.
Линейные датчики Холла
На рисунке 4 показаны графики выходного сигнала (аналогового и ШИМ) линейных биполярных датчиков Холла, причем рисунки а) и б) показывают выходной сигнал датчиков с негативной и позитивной чувствительностью, соответственно, а рисунок в) – выход датчика с сигналом в виде ШИМ.
Рис. 4. Выходные сигналы биполярных линейных датчиков Холла: а) негативный аналоговый; б) позитивный аналоговый; в) ШИМ
Биполярные датчики реагируют на оба полюса магнита, причем реакция различается в зависимости от полярности, то есть, по уровню выходного сигнала можно определить не только значение B, но и полярность магнита. В противоположность им, униполярные датчики работают только с одним полюсом магнита, не реагируя на другой (рисунок 5).
Рис. 5. Выходной сигнал униполярного линейного датчика Холла
Помимо вышеприведенных вариантов, линейный датчик Холла может иметь и цифровой выход, как, например, MT8001 компании MagnTek – этот биполярный датчик выдает уровень магнитного поля в виде числа в диапазоне 2048…2047 по интерфейсу I2C.
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики интегральных линейных датчиков Холла азиатских производителей, доступных со склада КОМПЭЛ. Ратиометрические варианты ДХ объединены с обычными линейными. Датчик OCH8801 компании Orient-Chip, выделенный зеленым цветом, отличается от остальных ультрамалым потреблением – всего лишь 2 мкА.
Таблица 1. Некоторые параметры линейных датчиков Холла азиатских производителей
| Характеристики | Производитель | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cosemi | JSMICRO | MagnTek | Novosense | Orient-Chip | Ruimeng | UTC | |
| Напряжение питания, В | 3…15; 4,5…5 |
3…12; 4,5…5 |
1,7…3,6; 2,6…5; 3…5,5 |
4,5…5,5 | 1,8…3,6; 2,5…6,0 |
4,5…5,5 | 3,0…6,5; 4…7; 4,5…10,5 |
| Ток потребления, мА | 4; 7 | 2,5 | 2; 2,8; 6 | 9…15 | 0,002; 6 | 6,5 | 3; 4,2; 6,0 |
| Чувствительность, мВ/Гс | 1,5; 2,5; 3,3; 5; 1…24 |
1,2; 2,5; 3,25; 1,7…27 | 1,00; 1,50; 1,60; 2,15; 2,50; 3,15; 3,40; 3,78; 5,00; 10,0 | 0,5…6,5; 0,5…15; 0,6…22,4; 2…20; 0,707…22,624; 0,5…30 |
1,4…5 | ±0,20…±16 | 1,65; 1,7; 3,125 |
| Программируемые датчики | CHA611, CHI612 | JSM810 | – | NSM203x, MT9711, MT9211, MT951x |
– | MS1820 | – |
| Биполярные | CH60x | JSM60x | MT910x, MT935x |
– | OCH1900…1902, OCH8801 | – | UH495, SK8509, UHS39, UHS49 |
| Униполярные | – | – | MT936x | – | – | – | – |
| Цифровой интерфейс | – | – | MT8001 (I2C) | – | – | – | – |
| Диапазон рабочих температур, °C | -40…150 | -40…125; -40…150 |
-20…85; -40…105; -40…150 |
-40…150 | 40…85; -40…150 |
-40…125 | -20…85; -40…85; -40…150 |
| Корпус | TO-92S; SOT-89; SOT-23 |
TO-92S; TO-94; SOT-23 |
TO-92S; SOT-23; DFN1616; DFN2030 |
TO-94; SOP-8 |
WLCSP9; LSIP-3; SOT-23 |
TO-94 | SIP-3 (TO-92S); SOT-23 |
Пороговые (переключающиеся и защелкивающиеся) датчики
Многим приложениям не требуется знать значение магнитной индукции, достаточно лишь определить, есть воздействие магнита на датчик или нет, сменилась полярность магнитного поля или осталась прежней. В этом случае удобно применять пороговые датчики, выход которых соответствует логическим сигналам. Аппаратно выход может представлять собой один транзистор (открытый коллектор, в некоторых моделях со встроенным подтягивающим резистором), или два транзистора (верхнего и нижнего плеча, push-pull). Как и у линейных, у пороговых датчиков есть разделение на группы по вариантам реакции на полярность магнитного поля: униполярные, омниполярные и биполярные (в том числе защелкивающиеся).
| Примечание. В некоторых датчиках исходное состояние может быть не логическим уровнем, а высокоимпедансным Z-состоянием. Также некоторые датчики могут выдавать в качестве сигнала значение тока (обеспечивает большую помехозащищенность при передаче сигнала на значительное расстояние). На изображенных далее графиках эти варианты не будут показаны, так как их поведение визуально не отличается. |
График выходного сигнала униполярных переключающихся датчиков Холла показан на рисунке 6. В зависимости от исполнения такие датчики реагируют только на южный (рисунки а, в) или северный (б, г) полюс магнита, имея активным низкий (а, б) или высокий сигнал (в, г). Включение датчика происходит, когда магнитный поток достигает значения точки срабатывания BOP, а в точке BRP датчик возвращается в исходное состояние. Расстояние между этими точками обеспечивает гистерезис, предотвращающий появление «дребезга», который мог бы возникнуть из колебаний магнитного потока или электромагнитного шума.
Рис. 6. Варианты выходного сигнала униполярного переключающегося датчика Холла
В отличие от униполярных, омниполярные датчики работают так же, с той разницей, что для них важна не полярность, а абсолютное значение B. На рисунке 7 показаны два варианта выходного сигнала омниполярного ДХ, отличающихся уровнем активного сигнала: низким (а) или высоким (б).
Рис. 7. Варианты выходного сигнала омниполярного переключающегося датчика Холла
В отличие от униполярных и омниполярных ДХ, логика которых построена на присутствии и отсутствии магнитного поля, биполярному датчику для нормальной работы всегда требуется магнитное поле, притом с чередованием полярности. На рисунке 8 показаны варианты выходного сигнала биполярного и защелкивающегося датчика, отличающихся уровнем активного сигнала: низким (а) или высоким (б).
Рис. 8. Варианты выходного сигнала биполярного переключающегося и защелкивающегося датчика Холла
Биполярный ДХ отличается от защелкивающегося тем, что смещение точек BOP и BRP относительно нуля может быть несимметричным и небольшим, что обеспечивает высокую чувствительность с акцентом к определенной полярности. Такие датчики находят применение там, где используются близко расположенные друг к другу чередующиеся северный и южный полюса магнита (например, кольцевой магнит на рисунке 3б), с минимальной амплитудой магнитного потока. Однако отсутствие магнитного поля может вызвать неопределенное состояние выхода. Защелкивающийся датчик имеет более строгие параметры: точки BOP и BRP расположены симметрично, при отсутствие магнитного поля сохраняется последнее состояние, состояние при первом включении установлено изготовителем.
В таблицах 2, 3 и 4 приведены сравнительные характеристики интегральных переключающихся датчиков Холла азиатских производителей.
Наименование ДХ с ультрамалым током потребления (единицы микроампер) в нижеследующих таблицах написаны зеленым цветом и к ним следует отнестись с особым вниманием. Обеспечить малое энергопотребление можно двумя способами: технологией производства (например, КМОП) и отключением питания датчика, когда он не используется. Во втором случае это легко сделать, переведя датчик в спящий режим командой через цифровой интерфейс или сигналом по отдельному выводу. Ни той, ни другой возможности нет у обычного датчика в корпусе с тремя выводами, и обеспечить ему функцию энергосбережения возможно либо внешним ключом питания, либо, как поступили производители – интеграцией в датчик логического модуля для циклической смены режимов «сна» (Sleep mode) и «бодрствования» (Awake mode).
Например, датчики семейства MT889x компании MagnTek в спящем режиме находятся 99,98% времени, и лишь 0,02% – в активном, причем длительность активного периода составляет всего 10 микросекунд. Разумеется, это накладывает определенные ограничения на область применения MT889x – магнитное поле не должно изменяться чаще, чем 20 раз в секунду, но для приборов с автономным питанием, не требующих высоких частот и минимальных задержек, подобный датчик позволит сохранить огромное количество энергии батареи без применения дополнительных компонентов и отдельного вывода микроконтроллера.
Таблица 2. Некоторые параметры переключающихся датчиков Холла азиатских производителей
| Характеристики | Производитель | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cosemi | JSMICRO | MagnTek | Novosense | Orient-Chip | Ruimeng | UTC | |
| Напряжение питания, В | 1,8…5,25; 2,5…22; 2,8…28; 3..4,2…30; |
2,5…5,5; 2,7…30; 3,8…40; 3,8…60 |
1,6…5,0; 2,0…5,5; 2,4…24; 2,8…26; 3,8…60 |
1,65…5,5; 2,7/3,1…28 |
1,65/2,4…5,5; 3,8…18; 2,5/3,3…24/26; 2,7…30; 3…40; 3,8…60 |
4,5…24; 3…36/40 |
2,2…5,5; 4…7; 3..4,5…20..28; |
| Ток потребления, мА | 1,1…4 | – | 0,0012… 0,06; 0,6…4,5 |
0,063…0,065; 2…2,5 |
0,0008…0,003; 1,8…3,4 |
2,9…7,7 | 0,003…2; 2,5…6 |
| Чувствительность, Гс (BOP и BRP) | 18…450 | 12…280 | 6…255 | 0,1…60 мТл | 5…200 | 30…50 | 10…395 5 мТл |
| Униполярные | CHA92x, CHI92x, CH92x, CH93x, CH941, CH951 | JSM421, JSM422, JSM431, JSM44E, JSM465, JSM503, JSM506…512, JSM543…546 | MT72xx-Uxx, MT811x, MT831x, MT851x, MT871x, MT891x, MT889x | NSM1011, NSM1071 | OCH41F, OCH145, OCH1405, OCH1451, OCH1502, OCH1602, OCH1609, OCH87891 |
U349, USS443, U3144, SK1901, UH8108, UH8111 | |
| Униполярные программируемые | CH481Ux | – | – | – | – | – | – |
| Омниполярные | CHA93x, CHI93x, CH91x | – | MT72xx-Oxx, MT3303, MT855x, MT857x, MT863x, MT865x, MT883x | NSM1012, NSM1072 | OCH1510, OCH15300, OCH1804, OCH166, OCH168, OCH169, OCH175, OCH177, OCH178, OCH1608, OCH1620, OCH1660, OCH1661, OCH1670, OCH1691 | MS451 | UHC288, UH8102…105, UH8108, UH8118, UHS351, SK8552 |
| Биполярные и
защелкивающиеся |
CH41x, CH42x, CHx44x, CH46x | JSM469M, JSM401, JSM402, JSM451, JSM452 JSM462…466, JSM468, JSM501…504, JSM541, JSM542 | MT72xx-Lxx, MT816x, MT8181, MT836x, MT838x, MT856x, MT876x, MT896x, MT1401, MT3411, MT4409, MT882x | NSM1012 | OCH143, OCH147H, OCH149, OCH182, OCH183, OCH40171, OCH1801, OCH1810, OCH1812, OCH1610, OCH1611, OCH1305, OCH1306 | MS40, MS41, MS413 | SK1812, SK1816, SK1826, UHS41, UHC177, UHC182, UHC188, UHC1816, USS30, USS40, USS50 |
| Защелкивающиеся программируемые | CH481Lx | – | – | NSM1030 | – | – | – |
| Диапазон рабочих температур, °C | -40…150 | -40…85; -40…150 |
-40…85; -40…150 |
-40…125; -40…150 |
-40…85; -40…150 |
40…120 | -40…85; -40…125 |
| Корпус | TO-92S; SOT-89; SOT-23 | TO-92S; SOT-23 |
Flat TO-92; Small SOT-23; SOT-23; SOT-89; DFN1608, DFN1616 |
TO-92S; SOT-23 | SIP-3 (TO-92S); SSIP-3; SOT-23; TSOT-23; SOT553; DFN1014; DFN1216; DFN1616; DFN2020 |
TO-92S; TSOP-23; SOT-23 |
SIP-3 (TO-92S); SOT-89; SOT-23; SOT-25 |
Специализированные датчики Холла
В большинстве случаев магниточувствительный элемент ДХ ориентирован так, что вектор магнитной индукции должен быть перпендикулярен плоскости корпуса (рисунок 9а). Иногда конструкция устройства может быть более оптимальной, если вектор лежит в горизонтальной плоскости корпуса (рисунок 9б) или ориентирован произвольно (рисунок 9в). Существуют специальные многоосевые датчики, представленные ниже, но они, как правило, имеют цифровой интерфейс, что требует наличия микропроцессора. Для более простых решений существуют пороговые датчики Холла с дискретным выходом, реагирующие на магнитное поле в одном из горизонтальных направлений или во всех трех. Такие датчики предлагает компания MagnTek (таблица 3).
Рис. 9. Варианты направления магнитного потока на корпус датчика Холла
Таблица 3. Горизонтальные и 3D пороговые датчики Холла компании MagnTek
| Ориентация | Горизонтальный | Все плоскости (3D) | |
|---|---|---|---|
| Наименование | MT836x-HX | MT896x-HX | MT8632-3D |
| Тип Холла | Биполярный защелкивающийся | Омниполярный | |
| Напряжение питания, В | 3,8…60 | 2,7…24 | 2,0…5,5 |
| Ток потребления, мА | 4 | 4,5 | 0,0006…0,0012 |
| Чувствительность, Гс (BOP и BRP) | 35 | 25 | 16 (BOP), 9 (BRP) |
| Диапазон рабочих температур, °C | -40…150 | -40…125 | |
| Корпус | Flat TO-92; SOT-23 | SOT-23 | SOT-23 |
Специализированные датчики для определения скорости и/или направления вращения (рисунок 10), выпускают компании Cosemi (таблица4), JSMICRO и UTC (таблица 5).
Рис. 10. Применение датчика Холла для определения скорости и направления вращения с помощью зубчатых колес
Таблица 4. Автомобильные датчики Холла компании Cosemi для определения скорости и направления вращения
| Характеристики | Рекомендуемое применение в автомобиле | |
|---|---|---|
| Коробка передач, распредвал и датчик скорости | Датчик вращения колес (ABS) | |
| Выходной сигнал напряжение | CH502, CH502E | – |
| Выходной сигнал ток, импульс | – | СH503, CH503C |
| Выходной сигнал ток, ШИМ | – | CH504, CH504C |
| Выходной сигнал ток, протокол AK | – | CH505, CH505C |
| Напряжение питания, В | 3…24/28 | 4,5/6,5…24 |
| Ток потребления, мА | 3 | 7…28 |
| Диапазон магнитного поля, мТл | -30…400/500 | -500…500 |
| Диапазон рабочих температур, °C | -40…150 | |
| Корпус | TO-92S | CSO-2 |
Таблица 5. Датчики Холла компании JSMICRO для определения скорости и направления вращения
| Характеристики | JSMICRO | UTC | ||
|---|---|---|---|---|
| JSM700, JSM711 |
JSM702, JSM712 |
JSM711, JSM712 |
UH4921 | |
| Напряжение питания, В | 3,8…30 | -…24 | ||
| Ток потребления, мА | – | 12 | ||
| Диапазон магнитного поля, Гс | -40…40 | -75…75 | -130…130 | Гистерезис 1,5 мТл |
| Диапазон рабочих температур, °C | -40…150 | |||
| Корпус | SOP-8; TO-94 | SIP-4 | ||
Компания MagnTek выпускает датчики Холла, предназначенные для определения скорости и направления вращения (таблица 6). Датчики имеют два магниточувствительных элемента, расположенных на определенном расстоянии (рисунок 11), и, в зависимости от исполнения, два независимых выхода SP1 и SP2, позволяющих получить квадратурный сигнал, как у обычных энкодеров (рисунок 3б), либо сигналы SP и DIR – скорости и направления вращения.
Рис. 11. Двухэлементные датчики Холла компании MagnTek
Таблица 6. Двухэлементные датчики Холла компании MagnTek
| Характеристики | Наименование | |||
|---|---|---|---|---|
| MT890x-SS | MT890x-SD | MT8911-Dual | MT8912-Dual | |
| Тип Холла | Биполярный защелкивающийся | Униполярный | ||
| Тип сигнала | SP1 и SP2 | SP и DIR | SP1 и SP2 | |
| Напряжение питания, В | 2,7…24 | |||
| Ток потребления, мА | 4,5 | |||
| Чувствительность, Гс (BOP и BRP) | 25 | 140/105 | 255/210 | |
| Диапазон рабочих температур, °C | -40…150 | |||
| Корпус | SOT-23-6; Flat TO-94 | SOT-23-6 | ||
Специализированные ИС компании UTC (таблица 7) с датчиками Холла и интегрированными ключами для электромагнитных обмоток или для управления более мощными ключами (UH378) позволяют очень просто (рисунок 12) создать одно- или двухфазный маломощный электропривод, например, для DC-вентиляторов.
Рис. 12. Схема DC-вентилятора на основе датчика Холла компании UTC
Таблица 7. Датчики Холла компании UTC для DC-вентиляторов
| Наименование | Напряжение питания, В | Ток, мА | Чувствительность, Гс (BOP и BRP) | Диапазон рабочих температур, °C | Корпус | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| потребление | выход | |||||
| UH200 | 2…20 | 16 | 450 | 5…100 | -20…85 | SIP-4 |
| UH210 | 2,8…20 | 18 | 450 | 5…80 | ||
| UH211 | 3,7…20 | 11 | 500 | 60…110 | ||
| UH266 | 4…28 | 5 | 400 | 10…100 | ||
| UH276 | 3…20 | 15 | 400 | 5…100 | ||
| UH277 | 3…20 | 15 | 300 | 5…100 | ||
| UH378 | 3…20 | 4,7 | 20 | 5…100 | ||
| UH457 | 4…28 | 2,5 | 300 | 25 | ||
| H1277 | 3,7…20 | 11 | 500 | 60…110 | ||
| 319 | 3…20 | 18 | 300 | 10…90 | 0…85 | |
| UH477 | 3…20 | 25 | 300 | 45…90 | 0…85 | |
| 4,5…30 | 3 | 350 | 25 | -40…85 | ||
| UH288F/R | 4…28 | 3,5 | 300 | 30 | ||
| UHC477 | 3…20 | 2 | 300 | 25 | ||
| UHC479 | 3,5…20 | 3 | 300 | 25 | ||
| UHC1377 | 3,5…20 | 3,5 | 600 | 25 | ||
| UHC1477 | 3,3…22 | 2 | 450 | 25 | -40…125 | |
| UH255 | 1,8…5,5 | 1,8 | 500 | 25 | -20…105 | SOT-26 |
В автомобильных приложениях, робототехнике и многих других областях очень часто требуется определение угла поворота. Это позволяет определить положение какого-либо рычага, что требуется, например, в автомобиле для вспомогательных систем парковки, динамической подвески, обеспечение обратной связи от различных исполнительных систем, чье состояние может быть гораздо более многопозиционным, чем «вкл-выкл». Специальные датчики Холла, производимые компаниями Novosense и MagnTek (таблица 8) позволяют отследить вращение и перемещение магнита (рисунок 13).
Рис. 13. Вращение и перемещение магнита по вертикали над датчиком Холла
Огромное количество интерфейсов датчика угла поворота позволяет разработчику подключить его практически к любой системе. Компания MagnTek производит и специализированные ИС для обработки сигналов от внешних четырех датчиков Холла (MT6709, MT6728). Это позволяет разработчику построить более точное и оптимальное решение по определению вращения какой-либо детали диаметра большего, чем один магнит, причем получить весь спектр интерфейсов и возможностей, как у датчиков в таблице 13, не тратя время на разработку и отладку программно-аппаратного решения на основе какого-либо DSP.
Следует отметить, что представлены датчики угла поворота только на основе МЧЭ Холла; в ассортименте производителей присутствуют и другие варианты, построенные по магниторезистивной технологии.
Таблица 8. Датчики Холла для измерения угла поворота
| Характеристики | Novosense | MagnTek | |||
|---|---|---|---|---|---|
| NSM301х(-Q1) | MT6701 | MT6620 | MT6511 | MT652x | |
| Напряжение питания, В | 3,3…5 | 3,3…5 | 4,5…5,5 | ||
| Ток потребления, мА | – | 10 | 25 | 10…22 | |
| Задержка, время распознавания, мкс | 120 (10 с динамической компенсацией) | 5 | 5 | 50…650 | |
| Интерфейсы, выходные сигналы | SPI, OWI, UVW, DAC (14 бит), PWM (12 бит) | I2C, SSI, ABZ (1024), UVW, DAC (14 бит), PWM (12 бит), «кнопка» по оси Z | SPI, ABZ (2500), UVW, PWM (12 бит), STATUS, ERROR | SPI, One-Wire,OWI, SENT, DAC (12 бит), ABZ (4096), UVW, PWM (12 бит), дискретный | |
| Точность, нелинейность | ±1° (±0,2° после калибровки) | ±1° (INL) ±0,02° (DNL режим ABZ) |
±0,5° (INL), ±0,2° (INL калибровка), ±0,025° (DNL режим ABZ) |
±1° (INL), ±0,01° (DNL) | ±1…3° (INL XY), ±3° (INL XZ/YZ),±0,01° (DNL) |
| Рабочая температура, °C | -40…125 | -40…125 | -40…150 | -40…160 | |
| Корпус | SOP-8 | SOP-8; QFN3X3 | TSSOP-24 | SOP-8; TSSOP-16 | |
В начале статьи упоминался джойстик, построенный на 3D-датчике Холла (рисунок 3в). Реализовать подобные устройства позволяют специальные датчики, способные измерять магнитное поле во всех трех плоскостях (рисунок 14). В таблице 9 приведены некоторые характеристики двух таких датчиков, производящихся компанией Orient-Chip. Миниатюрность и очень низкое потребление энергии позволяют применять датчики OCH8309 и OCH1970QAD в приложениях, где важна компактность и экономичность.
Рис. 14. 3D датчик Холла компании Orient-Chip
Таблица 9. 3D датчики Холла компании Orient-Chip
| Характеристики | Наименование датчика | |
|---|---|---|
| OCH8309 | OCH1970QAD | |
| Напряжение питания, В | 1,7…3,6 | |
| Ток потребления | – | 8,6 мкА в режиме ожидания, 1,6 мА в режиме измерения |
| Разрешение, бит | 16 | |
| Чувствительность, мкТл/LSB | 1,1/3,1 | |
| Диапазон, мТл | ±36 (в режиме высокой чувствительности); 34,9 (X/Y) 101,5 (Z) |
|
| Частота отклика, Гц
(Время измерения, мкс) |
200 | (800) |
| Интерфейс | I2C, 400 кГц, возможность задания двух адресов | I2C, SPI (4-проводной) |
| Дополнительные выходы для уведомления о событиях | INTB (готовность данных, переполнение АЦП, насыщение магнитного сенсора) | INT и ODINT (готовность данных, превышение заданного порога, переполнение АЦП, насыщение магнитного сенсора) |
| Рабочая температура, °C | -30…85 | -40…85 |
| Корпус | WLCSP-BGA (5 выводов 1,29×0,99×0,53 мм) |
QFN-16 (3,0×3,0x0,75 мм) |
Некоторые замечания по применению датчиков Холла
Современные интегральные датчики Холла являются очень надежными устройствами. Однако этого недостаточно для надежности работы системы в целом, а также для минимизации проблем в производстве устройств. Разработчик должен учитывать некоторые особенности:
- Неверно выбранные чувствительность датчика, магнит, его расстояние и положение относительно датчика могут вызвать неустойчивые показания. Необходимо учитывать положение элемента Холла в корпусе датчика (это всегда указывается в спецификации).
- Частота, с которой датчики могут изменять свое состояние, вполне достаточна для большинства приложений. Однако, в зависимости от модели ДХ она может отличаться в десятки, сотни и даже тысячи раз. Неудачный выбор датчика может привести к пропуску изменения состояния магнитного поля.
- Прототип и конечное устройство, а также их среды эксплуатации могут различаться. Неучтенные внешние электромагнитные помехи или конструкции из материалов, влияющих на магнитный поток, могут вызвать искажения показания ДХ.
- Многие датчики способны работать при высоких (до 150°C) температурах, и несмотря на то, что точка Кюри (температура, при которой ферромагнитные материалы полностью размагничиваются) для большинства магнитов значительно выше, ухудшение их параметров может начаться при более низких температурах. Сильные удары или внешнее магнитное поле с большей коэрцитивной силой также могут изменить параметры магнита.
- Эксплуатация в среде, в которой могут присутствовать опилки или пыль из ферромагнитных материалов, может потребовать профилактических работ по удалению их с датчика или магнита, а значит, конструкция должна предусматривать возможность таких работ, либо предотвращать загрязнение системы.
- Выше, на графиках выходов линейных и пороговых ДХ, было показано, что существуют все варианты исполнения: с активным низким или высоким сигналом, с положительной или отрицательной полярностью. Но на практике может получиться, что в доступном ассортименте распределение вариантов неравномерно, например, в наличии может оказаться много униполярных датчиков, реагирующих на южный полюс, а на северный – отсутствовать.
Заключение
Современная номенклатура датчиков Холла азиатских производителей способна удовлетворить практически все требования разработчиков и заполнить вакуум рынка, образовавшийся после ухода с него некоторых компаний. Продукция представленных выше компании не уступает по качеству и надежности именитым европейским и американским брендам, что, в свою очередь, обеспечивает надежность эксплуатации и успех приложений, в которой она применяется.
Получить дополнительную информацию по применению, наличию на складе, условиям заказа и поставки датчиков Холла можно, обратившись к специалистам компании КОМПЭЛ.
Литература:
- Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. ДМК Пресс, 2001
- Джексон Р. Г. Новейшие датчики. Техносфера, 2007
- Руководство по выбору датчиков тока и трансформаторов тока. КОМПЭЛ
Наши информационные каналы