Компания Компэл продолжает работу по бесперебойной поставке электронных компонентов. Наш склад принимает и отгружает грузы в стандартном режиме.

Магнитные датчики Infineon для измерения скорости и положения

12 марта

системы безопасностиавтомобильная электроникаучёт ресурсовавтоматизацияInfineonстатьядатчики

Александр Русу (г. Одесса)

Номенклатура магнитных датчиков Infineon включает в себя дискретные датчики Холла для определения положения объекта или наличия движения, датчики для измерения угла поворота, датчики для измерения линейных перемещений, датчики для измерения скорости и датчики объемного магнитного поля со встроенными микроконтроллерами. Перечисленные датчики предназначены для применения как в автомобилестроении, так и в других отраслях промышленности.

Определение пространственного положения как устройства в целом, так и отдельных его частей, необходимо в охранных системах с контролем состояния окон и дверей, в бесколлекторных двигателях постоянного тока, где алгоритм формирования напряжений основан на информации о положении ротора, во многих бытовых приложениях. Несмотря на разнообразие типов датчиков, позволяющих вводить в электрическую схему информацию о положении того или иного объекта, в последнее время все популярнее становятся устройства, основанные на измерении напряженности внешнего магнитного поля.

Ключевыми преимуществами магнитных датчиков являются компактность, экономичность, а также отсутствие электрических и механических связей между измерительным элементом и контролируемым объектом. А если прибавить к этому высокую чувствительность, линейность, точность и стабильность в широком диапазоне рабочих температур, то становится очевидным, что даже простая замена датчиков других типов, например, оптических или механических, на магнитные положительно скажется на технических и эксплуатационных характеристиках многих приложений.

Учитывая рост спроса, компания Infineon предлагает разработчикам богатый выбор микросхем магнитных датчиков.

Принцип работы магнитных датчиков

В 1879 году Эдвин Холл обнаружил, что при помещении проводника с током в поперечное магнитное поле на его боковых сторонах появляется разность потенциалов, пропорциональная направлению и величине магнитной индукции, что является результатом воздействия силы Лоренца на движущиеся заряды (рисунок 1). До второй половины ХХ века этот эффект не находил практического применения, и только в 1960 году был представлен первый промышленный датчик, основанный на этом физическом явлении. С этого момента магнитные датчики начинают активно использоваться в технике, приобретая все большую популярность.

Рис. 1. Принцип работы датчика Холла

Рис. 1. Принцип работы датчика Холла

Поскольку сила Лоренца, а следовательно, и ЭДС Холла, напрямую связана с подвижностью зарядов, для повышения чувствительности активный элемент изготавливают из полупроводниковых материалов. Чаще всего используют кремний, однако существуют и приборы с активной зоной из германия, арсенида галлия, фосфида индия и других полупроводников. Форма и геометрические размеры чувствительного элемента зависят от конкретного назначения, поэтому существуют как плоские, так и объемные датчики, причем при производстве плоских элементов хорошо зарекомендовала себя технология вакуумного напыления проводящих слоев на диэлектрическую основу. Несмотря та то, что чувствительность и линейность измерительного элемента напрямую зависят от его размеров, на практике редко применяют датчики с объемом активного проводника больше 1 мм3, что делает эти приборы одними из самых миниатюрных.

Однако эффект Холла имеет и ряд недостатков, основными из которых являются относительно малая величина выходного напряжения, не превышающая 1000 мВ/Тл, и температурная нестабильность. Это вынуждает устанавливать операционный усилитель, чаще всего с элементами термокомпенсации, в непосредственной близости от места проведения измерений, поэтому на рынке чаще всего присутствуют готовые решения – микросхемы, содержащие все необходимые для работы узлы и требующие минимального количества внешних компонентов (рисунок 2).

Рис. 2. Структурные схемы простейших магнитных датчиков

Рис. 2. Структурные схемы простейших магнитных датчиков

Поскольку микросхема магнитного датчика фактически является самостоятельной измерительной системой-на-кристалле, то никто не запрещает производителям электронных компонентов расширять ее возможности, путем добавления различных узлов и модулей, улучшающих как технические характеристики, так и функциональность. Поэтому на рынке присутствуют как простые датчики с аналоговым или дискретным выходом, так и целые измерительные системы с собственными сигнальными процессорами и энергонезависимой памятью для хранения настроек, поддерживающие большинство распространенных интерфейсов передачи данных, в том числе USART, I2C и SPI. И, конечно же, в каталогах Infineon имеются специализированные датчики практически для всех стандартных инженерных задач, таких как измерение угла поворота, скорости вращения и многих других.

Дискретные датчики Холла (Switch/Latch Sensors)

Определение наличия или отсутствия какого-либо объекта является, с одной стороны, самой простой, а с другой – самой распространенной задачей. Именно поэтому сфера применения дискретных датчиков простирается от бытовых приборов до серьезных промышленных и автомобильных систем с наивысшим уровнем функциональной безопасности. Этим же объясняется и широкий ассортимент датчиков, предлагаемых компанией Infineon, которые отличаются как по электрическим (чувствительность, гистерезис, тип выхода и так далее), так и по эксплуатационным характеристикам (температурный диапазон, диапазон рабочих напряжений и прочее).

Чаще всего дискретные (одиночные) датчики Холла применяются:

  • для определения наличия или отсутствия какого-либо объекта, например, датчик закрытия двери в охранных системах;
  • для определения наличия движения, например, датчик скорости вращения вала электродвигателя;
  • для определения положения объекта, например, концевые датчики стеклоподъемников автомобилей или датчики положения ручки управления автоматической коробкой передач (рисунок 3).

Рис. 3. Два комплекта (для обеспечения функциональной безопасности) датчиков Холла для определения положения ручки управления АКПП

Рис. 3. Два комплекта (для обеспечения функциональной безопасности) датчиков Холла для определения положения ручки управления АКПП

Принцип работы дискретных магнитных датчиков производства компании Infineon основан на классическом эффекте Холла: чувствительный элемент измеряет величину электромагнитной индукции, в зависимости от которой выход микросхемы переводится в уровень логического нуля либо логической единицы.

Существуют два основных типа датчиков, отличающихся алгоритмом изменения выходного сигнала (рисунок 4). В простых переключателях (Switch) активный уровень выходного сигнала на выходе микросхемы устанавливается, если индукция внешнего магнитного поля превышает определенную величину. При этом для возврата в исходное состояние достаточно, чтобы индукция внешнего поля всего лишь стала меньше порогового значения (с учетом гистерезиса). Полярность магнитного поля при этом может быть как определенной (Unipolar), так и неопределенной (Bipolar). Такие микросхемы идеально подходят для определения наличия или отсутствия каких-либо объектов, например, в концевых датчиках, датчиках открытия/закрытия двери, датчиках положения ротора электродвигателя и прочих.

Рис. 4. Принцип работы дискретных датчиков Холла

Рис. 4. Принцип работы дискретных датчиков Холла

В дискретных датчиках с защелкой (Latch) переключение выходного сигнала происходит только при достижении индукцией внешнего магнитного поля определенных пороговых значений, причем уровень выходного сигнала при этом зависит от полярности внешнего поля. Другими словами, после установки на выходе, например, логической единицы датчик вернется в исходное состояние только после того, как внешнее магнитное поле поменяет свою полярность. Такие датчики идеальны для приложений с вращающимися элементами. Например, с помощью дискретного датчика с защелкой можно достаточно легко определить частоту вращения вала электродвигателя.

Отдельно следует отметить микросхемы, содержащие в одном корпусе два датчика Холла (Double Hall Switches), с помощью которых можно определить не только частоту, но и направление вращения вала электродвигателя. Одним из таких приборов является микросхема TLE4966 с двумя выходами (рисунок 5), на которых присутствуют сигналы как о скорости (Speed), так и о направлении (Direction) вращения вала электродвигателя.

Рис. 5. Принцип работы микросхемы TLE4966

Рис. 5. Принцип работы микросхемы TLE4966

Дискретные датчики производства компании Infineon делятся на три большие категории, отличающиеся областью применения. Для автомобильных приложений следует выбирать датчики с префиксом TLE, которые могут работать в диапазоне рабочих температур -40…170°С при напряжении питания 3,0…5,5 В или 3,0…32 В. Аналогичный диапазон питающих напряжений и у датчиков, маркированных префиксом TLI и предназначенных для промышленного использования, однако температурный диапазон у них меньше и составляет -40…125°С. Для остальных потребительских приложений лучше всего выбирать датчики с префиксами TLV, способные работать в диапазоне температур -40…125°С при напряжении питания 3,0…26 В.

Основным семейством дискретных датчиков, предлагаемых компанией Infineon, являются датчики TLx496x (таблица 1), которые могут выпускаться как в потребительском, так и в промышленном и автомобильном исполнениях. Отличительной особенностью данного семейства является широкий диапазон рабочих напряжений, составляющий 3…32 В с возможностью перенапряжения до 42 В, при собственном токе потребления, не превышающем 1,6 мА. Широкий диапазон чувствительности и рабочих температур делает эти датчики идеальными для широкого круга приложений, в том числе и для устройств с высоким уровнем функциональной безопасности: промышленного оборудования, лифтов, электроинструмента, автомобилей и многих других.

Таблица 1. Технические характеристики датчиков семейства TLx496x

Наименование Тип Индукция срабатывания, мТл Индукция отпускания, мТл Гистерезис, мТл Автомо-
бильные прило-
жения
Промышлен-
ные прило-
жения
Корпус
TLE4961-1M/L Latch 2,0 -2,0 4,0 + + SOT23/SSO-3-2
TLE4961-2M Latch 5,0 -5,0 10,0 + + SOT23
TLE4961-3M/L Latch 7,5 -7,5 15,0 + + SOT23/SSO-3-2
TLE4964-1M Switch 18,0 12,5 5,5 + + SOT23
TLE4964-2M Switch 28,0 22,5 5,5 + + SOT23
TLE4964-3M Switch 12,5 9,5 3,0 + + SOT23
TLE4964-5M Switch 7,5 5,0 2,5 + + SOT23
TLE4968-1M/L Bipolar 1,0 -1,0 2,0 + + SOT23/SSO-3-2
TLE4961-5M Latch 15,0 -15,0 30,0 + + SOT23
TLE4961-4M Latch 10,0 -10,0 20,0 + + SOT23
TLE4964-4M Switch 10,0 8,5 1,5 + + SOT23
TLE4964-6M Switch 3,5 2,5 1,0 + + SOT23
TLV4964-1M Switch 18,0 12,5 5,5 SOT23
TLV4964-2M Switch 28,0 22,5 5,5 SOT23
TLI4961-1M/L Latch 2,0 -2,0 4,0 + SOT23/SSO-3-2
TLV4961-3M Latch 7,5 -7,0 15,0 SOT23

Для приложений, требующих высокоточного определения позиции контролируемого объекта, компания Infineon рекомендует дискретные датчики семейства TLE/TLI4963/65-xM (таблица 2), отличающиеся малым уровнем джиттера, не превышающим 0,35 мкс. Микросхемы TLE/TLI4963/65-xM рассчитаны на использование в промышленных и индустриальных приложениях и могут работать в диапазоне питающих напряжений в диапазоне 3,0…5,5 В, потребляя при этом ток, не превышающий 1,4 мА.

Таблица 2. Технические характеристики датчиков семейства TLE/TLI4963/65-xM

Наименование Тип Индукция срабатывания, мТл Индукция отпускания, мТл Гистерезис, мТл Автомобильные приложения Промышленные приложения Корпус
TLE4963-1M Latch 2,0 -2,0 4,0 + SOT23
TLE4963-2M Latch 5,0 -5,0 10,0 + SOT23
TLE4965-5M Unipolarswitch 7,5 5,0 2,5 + SOT23
TLI4963-1M Latch 2,0 -2,0 4,0 + SOT23
TLI4963-2M Latch 5,0 -5,0 10,0 + SOT23
TLI4965-5M Unipolarswitch 7,5 5,0 2,5 + SOT23

В отличие от предыдущих серий дискретных датчиков, выпускаемых в SMD-корпусах, семейство TLV496x-xTA/B (таблица 3) рассчитано на использование в потребительской технике и выпускается в корпусах, предназначенных для монтажа в отверстия. Микросхемы имеют широкий диапазон рабочий напряжений, составляющий 3…26 В, при токе потребления, не превышающем 1,6 мА.

Таблица 3. Технические характеристики датчиков семейства TLV496x-xTA/B

Наименование Тип Индукция срабатывания, мТл Индукция отпускания, мТл Гистерезис, мТл Корпус
TLV4961-1TA Latch 2,0 -2,0 4,0 TO92S-3-1
TLV4961-1TB Latch 2,0 -2,0 4,0 TO92S-3-2
TLV4961-3TA Latch 7,5 -7,5 15,0 TO92S-3-1
TLV4961-3TB Latch 7,5 -7,5 15,0 TO92S-3-2
TLV4964-4TA Unipolarswitch 10,0 8,5 1,5 TO92S-3-1
TLV4964-4TB Unipolarswitch 10,0 8,5 1,5 TO92S-3-2
TLV4964-5TA Unipolarswitch 7,5 5,0 2,5 TO92S-3-1
TLV4964-5TB Unipolarswitch 7,5 5,0 2,5 TO92S-3-2
TLV4968-1TA Latch 1,0 -1,0 2,0 TO92S-3-1
TLV4968-1TB Latch 1,0 -1,0 2,0 TO92S-3-2

Для приложений, требующих определения не только скорости, но и направления вращения роторов электродвигателей, предназначены датчики линейки TLE4966 (таблица 4), содержащие в одном корпусе два датчика Холла, расположенных на расстоянии 1,45 мм. Микросхемы TLE4966 удовлетворяют требованиям AEC-Q100 и могут использоваться, в том числе, в автомобильных приложениях.

Таблица 4. Технические характеристики датчиков семейства TLE4966

Наименование Тип Индукция срабатывания, мТл Индукция отпускания, мТл Гистерезис, мТл Корпус
TLE4966K/L Double Hall, speed and direction output 7,5 -7,5 15 TSOP6/SSO-4-1
TLE4966-2K Double Hall, two independent outputs 7,5 -7,5 15 TSOP6
TLE4966-3K Double Hall, speed and direction output 2,5 -2,5 5 TSOP6
TLE4966V-1K Vertical double Hall, speed and direction output 2,5 -2,5 5 TSOP6

Датчики угла поворота (Angle Sensors)

Измерение угла поворота вращающегося объекта необходимо в таких приложениях как электродвигатели, рулевые колонки автомобилей, разнообразное промышленное оборудование, робототехника, мехатронные системы, а также во многих других. От точности и надежности этих приборов во многом зависят как безопасность, так и качество работы большинства автоматизированных систем, поэтому неудивительно, что многие производители электронных компонентов ведут активные поиски новых методов как измерения положения измеряемого объекта, так и обработки полученных результатов.

Первоначально для измерения угла поворота применялись датчики на классическом эффекте Холла с аналоговым выходом, преимуществами которых, помимо традиционных для большинства магнитных приборов компактности и экономичности, являются безынерционность ввиду отсутствия магнитного гистерезиса и возможность работы в широком диапазоне уровней магнитных полей. Однако невысокая точность не позволила их использовать в прецизионных системах и заставила искать новые подходы к проведению измерений. Именно поэтому современные датчики угла поворота практически не используют данный принцип, а вычисляют положение внешнего магнита с помощью более точных методов измерения магнитосопротивления чувствительного элемента.

Одними из первых появились датчики, измеряющие величину анизотропного магнитосопротивления (Anisotropic Magneto Resistance, AMR). Основным отличием их от датчиков Холла является ориентация внешнего магнитного поля, силовые линии которого теперь должны быть направлены не перпендикулярно, а параллельно плоскости свободного (измерительного) слоя (Free Layer, FL), как показано на рисунке 6. Ключевым преимуществом AMR-датчиков является повышенная по сравнению с датчиками Холла чувствительность, а также малый уровень джиттера. Однако для многих прецизионных приложений этой точности все же недостаточно, к тому же AMR-датчики в принципе не способны определить полярность внешнего магнитного поля, из-за чего максимальное значение измеряемого угла ограничено 180°.

Рис. 6. Принцип работы магнитных датчиков для измерения угла поворота

Рис. 6. Принцип работы магнитных датчиков для измерения угла поворота

Устранить эти недостатки удалось путем введения дополнительного опорного магнитного слоя (Reference Layer, RL), изолированного от внешнего магнитного поля немагнитным промежутком (Non Magnetic Layer, NML). Это привело к появлению условий для возникновения гигантского магнитосопротивления (Giant Magneto Resistance, GMR) в случае, когда магнитная ориентация свободного слоя, определяемая внешним магнитным полем, оказывается направленной навстречу жестко заданной магнитной ориентации опорного слоя. Датчики на основе гигантского магнитосопротивления отличаются повышенной чувствительностью и способны отследить любое положение внешнего объекта, поскольку их рабочий диапазон измерения угла равен 360°. К недостаткам GMR-датчиков можно отнести ограниченный диапазон индукции внешнего магнитного поля, который для большинства моделей не должен превышать 100 мТл.

Дальнейшие исследования в этой области привели к созданию в 2014 году нового поколения датчиков, в основе работы которых лежит измерение туннельного магнитосопротивления (Tunneling Magneto Resistance, TMR). Структура чувствительных элементов на основе измерения TMR аналогична структуре GMR-приборов и так же содержит два магнитных слоя (свободный и опорный), разделенных туннельным барьером (Tunnel Barrier, TB). Основное отличие этих методов заключается в направлении протекания тока, используемого для измерения сопротивления, который теперь направлен не вдоль, а поперек многослойной структуры.

Ключевым преимуществом датчиков на основе измерения туннельного магнитосопротивления является ультравысокая чувствительность. Выходной сигнал датчиков на основе TMR приблизительно в 20 раз выше, чем у AMR-датчиков и в шесть раз выше, чем у GMR-аналогов. Кроме этого, TMR-датчики отличаются высокой стабильностью, меньшим температурным дрейфом и меньшей скоростью старения.

Для точного определения угла поворота обычно используют восемь чувствительных элементов – магниторезисторов с разной ориентацией магнитных моментов опорных слоев относительно корпусов приборов (рисунок 7). Эти элементы, соединенные в два измерительных моста, под действием внешнего магнитного поля формируют два основных сигнала: синусный и косинусный, являющиеся основной для последующих математических вычислений.

Рис. 7. Принцип измерения угла поворота

Рис. 7. Принцип измерения угла поворота

Для критически важных приложений с высоким уровнем функциональной безопасности, например, для автомобильной техники, необходимо обязательное дублирование критически важных компонентов. Поскольку датчики угла поворота могут использоваться, например, в системах рулевого управления, отказ которых может привести к неконтролируемому движению транспортного средства и возможным человеческим жертвам, они должны соответствовать требованиям ISO 26262, в том числе и самого жесткого уровня ASIL-D. Этим требованиям полностью отвечают микросхемы, содержащие два независимых датчика, расположенные с двух сторон подложки на расстоянии, не превышающем 600 мкм (рисунок 8). Такое расположение позволяет упростить конструкцию рулевого устройства и формировать два независимых комплекта практически одинаковых сигналов с помощью единственного ферритового магнита, поскольку при столь малом расстоянии между датчиками напряженность измеряемого поля будет практически одинакова.

Рис. 8. Конструкция микросхем с двумя независимыми датчиками, расположенными по обе стороны подложки

Рис. 8. Конструкция микросхем с двумя независимыми датчиками, расположенными по обе стороны подложки

Однако такое расположение датчиков внутри микросхемы вовсе не обязательно, поскольку для соответствия требованиям ISO 26262 важно, чтобы датчики и их выходные сигналы были электрически изолированы и независимы. Несмотря на то, что микросхема TLE5501 содержит два одинаковых датчика, смонтированные на одной стороне подложки, она соответствует требованиям ISO 26262, поскольку они электрически никак не связаны между собой (рисунок 9).

Рис. 9. Электрическая схема и пример использования микросхемы TLE5501

Рис. 9. Электрическая схема и пример использования микросхемы TLE5501

Анализируя номенклатуру датчиков угла поворота производства Infineon (таблица 5, рисунок 10), можно отметить, что большинство из них использует технологию GMR, хотя есть и модели с технологией AMR (TLE5109A16), а также одна микросхема (TLE5309D), содержащая два датчика, которые выполнены по разным технологиям (AMR и GMR). Поскольку измерение TMR остается относительно новым подходом в построении датчиков, ассортимент этих приборов пока невелик, однако можно предположить, что именно эта технология в ближайшем будущем станет доминирующей, поскольку требования к точности проведения измерений с каждым годом только растут.

Рис. 10. Номенклатура датчиков угла поворота Infineon

Рис. 10. Номенклатура датчиков угла поворота Infineon

Таблица 5. Технические характеристики датчиков угла поворота Infineon

Наименование Технология Расположение датчиков на подложке Интерфейс выходов Sin/Cos Интерфейс аналогового выхода Дополни-
тельные интер-
фейсы
Точность Корпус
TLE5009 GMR С одной стороны Аналоговый 0,9 DSO-8
TLE5009A16(D) GMR С двух сторон Аналоговый 1,0 TDSO-16
TLE5011 GMR С одной стороны SSC (SPI) 1,6 DSO-8
TLI5012B GMR С одной стороны SSC (SPI) SSC (SPI) PWM/IIF/
SPC/HSM
1,9 DSO-8
TLE5012B(D) GMR С одной или с двух сторон SSC (SPI) SSC (SPI) PWM/IIF/
SPC/HSM
1,0 DSO-8/
TDSO-16
TLE5014C16(D)* GMR С одной или с двух сторон SPC 1,0 TDSO-16
TLE5014P16(D)* GMR С одной или с двух сторон PWM 1,0 TDSO-16
TLE5014S16(D)* GMR С одной или с двух сторон SENT 1,0 TDSO-16
TLE5014SP16(D)* GMR С одной или с двух сторон SPI 1,0 TDSO-16
TLE5109A16(D) AMR С одной или с двух сторон Аналоговый 0,5 TDSO-16
TLE5309D AMR + GMR С двух сторон Аналоговый SSC (SPI) 0,5 (AMR),
1,0  (GMR)
TDSO-16
TLE5501* TMR С одной стороны Аналоговый 1,0 DSO-8
* – соответствует ISO 26262.

Датчики Холла для измерения линейных перемещений (Linear Hall Sensors)

Во многих приложениях возникает задача определения положения объекта, перемещающегося по некоторой траектории, которая совсем не обязательно должна быть прямолинейной. Контролируемым объектом может быть, например, педаль или рулевая колонка автомобиля, дроссельная заслонка топливной системы двигателя внутреннего сгорания (рисунок 11), линейный привод промышленного робота, шток измерителя уровня жидкости и многие другие приложения, содержащие движущиеся части, положение которых может принимать любое значение в некотором ограниченном пространстве.

Рис. 11. Конфигурация магнитного поля магнитного датчика для определения положения дроссельной заслонки двигателя автомобиля

Рис. 11. Конфигурация магнитного поля магнитного датчика для определения положения дроссельной заслонки двигателя автомобиля

Очевидно, что в подобных приложениях необходимо измерять абсолютное значение магнитного поля, зависящее как от величины индукции внешнего магнита, так и от расстояния между ним и датчиком. А это означает, что данные системы должны иметь возможность калибровки, с помощью которой можно точно учесть все специфические особенности конкретного узла. Именно поэтому большинство линейных датчиков производства компании Infineon (таблица 6) кроме измерительной части содержат узлы для обработки результатов измерений с учетом поправочных коэффициентов, хранящихся во встроенной энергонезависимой памяти (рисунок 12).

Рис. 12. Структурная схема датчиков TLE4998

Рис. 12. Структурная схема датчиков TLE4998

Таблица 6. Технические характеристики линейных датчиков Infineon

Наименование Чувствительность Индукция отсечки, мкТл Напряжение питания (расширенный диапазон), В Автомо-
бильное исполне-
ние
Интерфейс Корпус
TLE4997 ±12,5…±300 мВ/мТл < ±400 5 ±10% (7) + Аналоговый SSO-3-10, TDSO-8
TLE4998P ±0,2…±6 %/мТл < ±400 5 ±10% (16) + PWM SSO-3-10, SSO-4-1, SSO-3-9, TDSO-8
TLE4998S ±8,2…±245 LSB/мТл < ±400 5 ±10% (16) + SENT SSO-3-10, SSO-4-1, SSO-3-9, TDSO-8
TLE4998C ±8,2…±245 LSB/мТл < ±400 5 ±10% (16) + SPC SSO-3-10, SSO-4-1, SSO-3-9, TDSO-8

Датчики для измерения скорости (Speed Sensors)

Измерения скорости движения или вращения необходимы для нормальной и безопасной работы самых различных силовых агрегатов. Например, датчики скорости используются в автоматических коробках передач, спидометрах, системах, предотвращающих блокировку колес и в других автомобильных и промышленных приложениях. В современных автомобилях датчики скорости, контролирующие работу трансмиссии, совместно с датчиками давления позволяют бортовому компьютеру поддерживать такой режим работы двигателя, при котором обеспечивается минимальный уровень выбросов углекислого газа.

Принцип измерения скорости заключается в подсчете количества импульсов за определенный промежуток времени, формируемых с помощью магнитного датчика, расположенного в непосредственной близости от специального зубчатого колеса или многополюсного магнита (рисунок 13). В качестве чувствительного элемента в магнитных датчиках скорости могут применяться классические элементы Холла или узлы, основанные на измерении гигантского магнитного сопротивления (GMR). В критически важных приложениях, работающих в жестких условиях, в том числе и в приложениях с высоким уровнем электромагнитных помех, магнитные датчики скорости могут выпускаться с интегрированными конденсаторами, позволяющими, кроме всего прочего, уменьшить размеры измерительной системы за счет меньшего количества внешних компонентов.

Рис. 13. Принцип измерения скорости вращения с помощью магнитных датчиков

Рис. 13. Принцип измерения скорости вращения с помощью магнитных датчиков

Одним из самых популярных датчиков скорости, предлагаемых компанией Infineon, является микросхема TLE4922 (рисунок 14), представляющая собой простое и экономичное решение, прекрасно подходящее как для автомобильных, так и для промышленных применений. При использовании ненамагниченных зубчатых шестеренок с противоположной от колеса стороны микросхемы необходимо устанавливать постоянный магнит, в качестве которого, благодаря адаптивно изменяемой величине гистерезиса и наличию механизма калибровки, можно использовать недорогие объемные магниты, индукция которых может колебаться в широких пределах. Кроме этого, TLE4922 обеспечивают превосходную точность измерений в широком диапазоне величин воздушных зазоров, а также в условиях сильной вибрации и электромагнитных помех.

Рис. 14. Структурная схема и пример использования микросхемы TLE4922

Рис. 14. Структурная схема и пример использования микросхемы TLE4922

Более сложной моделью магнитных датчиков скорости, производимых компанией Infineon, является микросхема TLE4929 (рисунок 15) – активный датчик Холла, идеально подходящий для измерения скорости вращения коленчатых валов автомобильных двигателей, а также для сходных автомобильных или промышленных применений. Ключевыми преимуществами TLE4929 являются высокая точность, малый уровень джиттера, а также два интегрированных конденсатора, позволяющих микросхеме работать в сложной электромагнитной обстановке.

Рис. 15. Структурная схема микросхемы TLE4929

Рис. 15. Структурная схема микросхемы TLE4929

Благодаря наличию трех интегрированных датчиков Холла переключение TLE4929 происходит строго в момент, когда датчик находится возле центра зубца измерительной шестерни, что обеспечивает независимость результатов измерения от направления вращения контролируемого вала. Возможность программирования данной микросхемы с сохранением настроек в энергонезависимой памяти позволяет эффективно адаптировать ее под конкретные значения индукции используемых магнитов и величин воздушных зазоров.

Датчики объемного магнитного поля (3D Magnetic Sensors)

До недавнего времени измерения магнитного поля по одной, максимум двум координатам для большинства приложений было вполне достаточно. Однако в связи с бурным развитием микропроцессорных систем и робототехники появилась возможность (и потребность) в более сложном пространственном позиционировании. Отвечая на это, компания Infineon разработала магнитные датчики, способные измерять величину магнитной индукции по трем координатам, а значит – определять пространственное положение контролируемого магнита.

В общем случае для этого необходимы три чувствительных элемента, например, на основе эффекта Холла, ориентированные в пространстве соответствующим образом, и комплект специализированных аппаратных и программных узлов, обеспечивающий обработку полученных сигналов (рисунок 16). Очевидно, что из-за повышенной сложности данной задачи обработку сигналов проще всего проводить с помощью цифровых методов, поэтому все 3D-датчики производства компании Infineon содержат интегрированный микроконтроллер, обеспечивающий обработку оцифрованных сигналов с передачей результатов вычислений по одному из широко используемых интерфейсов.

Рис. 16. Принцип работы датчиков объемного магнитного поля

Рис. 16. Принцип работы датчиков объемного магнитного поля

Одним из таких решений являются датчики TLx493D (таблица 7), обеспечивающие точное трехмерное позиционирование с обнаружением линейных, вращательных и трехмерных перемещений. Благодаря компактному 6-выводному корпусу и ультрамалому энергопотреблению микросхемы TLx493D могут использоваться в широком спектре практических приложений и заменить традиционные резистивные и оптические датчики, не имевшие до недавнего времени аналогов в этой сфере (рисунок 17).

Рис. 17. Пример применения датчиков объемного магнитного поля

Рис. 17. Пример применения датчиков объемного магнитного поля

Таблица 7. Технические характеристики 3D-датчиков Infineon

Модель Диапазон рабочих температур, °C Соответст-
вие требова-
ниям
Линейный диапазон магнитного поля, мТл Разреше-
ние, мкТл/LSB
Ток потребления Частота измерений Корпус
TLV493D-A1B6 -40…125 JESD47 ±130 (тип.) 98 7 нА…3,7 мА 10 Гц…3,3 кГц TSOP6
TLI493D-A2B6 -40…105 JESD47 ±160 (мин.), ±100 (мин.) 130 (65) 7 нА…3,7 мА 10 Гц…3,3 кГц TSOP6
TLE493D-A2B6 -40…125 AEC-Q100 ±160 (мин.) 130 (65) 7 нА…3,3 мА 10 Гц…8,4 кГц TSOP6
TLE493D-W2B6 A0 -40…125 AEC-Q100 ±160 (мин.), ±100 (мин.) 130 (65) 7 нА…3,3 мА 0,05 Гц…8,4 кГц TSOP6
TLE493D-W2B6 A1
TLE493D-W2B6 A2
TLE493D-W2B6 A3

Заключение

Магнитные датчики Infineon перекрывают большинство практических приложений, начиная от простых устройств с минимальным уровнем автоматизации и заканчивая сложными промышленными и автомобильными системами с наивысшими требованиями к функциональной безопасности. Очевидно, что столь высокий уровень выпускаемой продукции был бы просто невозможен без тщательной проработки каждого узла предлагаемых микросхем на этапах проектирования и производства. Компания Infineon продолжает оставаться одним из лидеров в области магнитных датчиков, обеспечивая производителей качественной продукцией, выполненной по самым современным технологиям.

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
TLE49611KXTSA1 (INFIN)
TLE49611LHALA1 (INFIN)
TLE49611MXTSA1 (INFIN)
TLE49611MXTMA1 (INFIN)
TLE49612MXTSA1 (INFIN)
TLE49612MXTMA1 (INFIN)
TLE49613KXTSA1 (INFIN)
TLE49613LHALA1 (INFIN)
TLE49613MXTSA1 (INFIN)
TLE49613MXTMA1 (INFIN)
TLE49614MXTSA1 (INFIN)
TLE49614MXTMA1 (INFIN)
TLE49615KXTSA1 (INFIN)
TLE49615MXTSA1 (INFIN)
TLE49615MXTMA1 (INFIN)
TLE49631MXTSA1 (INFIN)
TLE49631MXTMA1 (INFIN)
TLE49632MXTSA1 (INFIN)
TLE49632MXTMA1 (INFIN)
TLE49641KXTSA1 (INFIN)