Теперь – и холловские: новые датчики магнитного поля от Texas Instruments

12 ноября 2015

Texas Instrumentsстатья

За счет сочетания малых размеров, характеристик и цены датчики Холла являются «рабочими лошадками» для решений, где требуется измерение магнитного поля. Компания Texas Instruments выпустила первое поколение микросхем, построенных на эффекте Холла.

Датчики и преобразователи магнитного поля уже не первый год используются в различных электронных устройствах. Интерес к данному типу датчиков продолжает расти, что обусловлено рядом факторов, таких как увеличение количества автомобилей (в том числе гибридных и электромобилей), возрастающая популярность электронных компасов, продолжающийся спрос от производителей компьютеров и периферии. Возрастает эффективность самих датчиков, улучшаются их характеристики. Основными областями применения являются автомобильная промышленность, потребительская электроника, безопасность, медицина.

Львиная доля датчиков магнитного поля (практически 40% рынка) приходится на автомобильную промышленность. Это объясняется возросшими требованиями безопасности и широким использованием датчиков в системах безопасности автомобиля, таких как ESC (электронная система управления курсовой устойчивостью), модуль измерения угла поворота руля, модуль измерения силы и крутящего момента, ABS. Также отдельный всплеск применения датчиков магнитного поля наблюдается в изделиях потребительской электроники для реализации электронного компаса. Такое применение становится популярным, так как расширяет возможности системы навигации в потребительских устройствах.

Существуют разные типы датчиков измерения магнитного поля, использующие различные физические процессы, такие как эффект Холла, магниторезистивный эффект (AMR, GMR), эффект наведенной индукции и прочие. У каждого способа есть свои плюсы и минусы. Независимо от типа, все датчики выполняют схожие функции – преобразуют энергию магнитного поля в электрическую энергию и предоставляют информацию в виде изменения выходного напряжения или сопротивления датчика.

В последние десятилетия особой популярностью пользуются бюджетные высококачественные датчики, использующие для своей работы эффект Холла или магниторезистивный эффект. Основное отличие между этими двумя типами датчиков заключается в том, что магниторезистивные датчики обладают очень высокой чувствительностью, тогда как датчики Холла обладают более линейной выходной характеристикой. Хотя на сегодняшний день датчики Холла занимают более 70% рынка датчиков магнитного поля, новые типы датчиков c применением различных физических эффектов не прекращают появляться. Пример – датчики с применением эффекта туннельного магнитного сопротивления (TMR) и сверхпроводящие квантовые интерферометры (SQUID).

Эффект Холла

Эффект Холла назван в честь своего первооткрывателя – Эдвина Холла. Несмотря на то, что сам эффект был открыт в 1879 году, широкое использование датчиков на его основе стало возможным с появлением интегральных микросхем. Суть эффекта заключается в возникновении разности потенциалов (напряжения Холла) перпендикулярно приложенному магнитному полю и направлению протекающего тока (рисунок 1). И хотя в большинстве случаев обычные датчики Холла используются как датчики присутствия и месторасположения, они также применяются для определения скорости, ускорения, и могут быть применены для оценки силы тока.

Рис. 1. Принцип возникновения эффекта Холла

Рис. 1. Принцип возникновения эффекта Холла

Среди причин широкой популярности интегрированных датчиков Холла можно выделить следующие:

  • эффект Холла не подвержен влиянию пыли грязи, потока, радиопомех;
  • он неизменен в широком диапазоне температур;
  • интегральные микросхемы, кроме преобразователя, содержат дополнительные блоки для предварительной обработки сигнала и защиты;
  • обеспечивают высокую степень повторяемости измерения магнитного поля;
  • бесконтактное применение.

Датчик Холла представляет собой собственно элемент Холла и интегрированную электронную схему, обеспечивающую предварительную обработку выходного сигнала преобразовательного элемента и защиту от внешних электрических воздействий. Малые размеры датчиков Холла в сочетании с их характеристиками и ценой позволяют использовать их для таких применений, как бесконтактные выключатели, бесконтактные датчики, бесконтактное измерение тока в проводниках, управление двигателями и тому подобное. За счет своей повышенной надежности и малого влияния внешних воздействий на функционал датчики Холла можно использовать вместо механических реле (герконов), оптических и индуктивных датчиков.

Семейство DRV5000 от Texas Instruments

На сегодняшний день в семействе датчиков Холла производства компании Texas Instruments представлены четыре датчика: DRV5013, DRV5023, DRV5033 и DRV5053. Три из них являются датчиками с цифровым выходом (DRV5013, DRV5023, DRV5033) и один – с аналоговым (DRV5053). Представленные датчики являются первым поколением в линейке датчиков магнитного поля Texas Instruments и предназначены для определения месторасположения, управления двигателями (положение, работа, скорость, ускорение) и так далее. Все микросхемы имеют несколько вариантов исполнения: с различной чувствительностью, в двух вариантах корпуса (SOT23 и TO-92) и двух температурных исполнениях (-40…125°С и -40…150°С). В дальнейшем линейка будет расширяться.

Независимо от исполнения для всех датчиков семейства DRV5000 характерны следующие общие характеристики:

  • компенсация смещения и дрейфа напряжения встроенным модулятором;
  • выход с открытым стоком (для микросхем с цифровым выходом);
  • широкий диапазон рабочих напряжений питания: 2,5…38 В;
  • быстрое время включения: 35 мкс;
  • формирование импульса готовности на выходе при включении питания;
  • быстрое время переключения: 13 мкс;
  • защита от неправильной полярности напряжения питания: до -22 В);
  • защита по выходу от короткого замыкания на землю.

Стоит обратить внимание на внутреннюю структуру датчиков (рисунок 2). Все датчики содержат внутренний регулятор напряжения, который позволяет использовать датчики без дополнительного стабилизатора напряжения, если питающее напряжение не превышает 38 В. Кроме того, регулятор напряжения обеспечивает дополнительную защиту от коротких выбросов при снятии нагрузки. При коротких выбросах, не превышающих 40 В, микросхемы могут использоваться без какой либо дополнительной защиты. Если же в системе ожидаются выбросы более 40 В, например, в бортовой сети автомобиля, где они могут быть более 60 В, дополнительная защита все же понадобится. Простейшим вариантом в данном случае будет использование токоограничивающего резистора.

а)

а)

б)

б)

Рис. 2. Внутренняя структура датчиков семейства DRV 5000: а) DRV5013/5023/ 5033; б) DRV5053

При реализации линейки DRV5000 инженеры TI не обошли вниманием и защиту от «переполюсовки» питания. При подаче отрицательного напряжения питания до -22 В датчики не пострадают, хотя и работать при таком напряжении тоже не будут. Чтобы возобновить функциональность датчиков достаточно подать напряжение питания правильной полярности.

Еще один уровень защиты, реализованный в датчиках, – это интегрированная схема ограничения выходного тока. Для предотвращения выхода микросхемы из строя при коротком замыкании реализована специальная схема ограничения тока, порог срабатывания которой равен 30 мА для DRV5013, DRV5023, DRV5033 и 2,3 мА для DRV5053. Схема ограничения по току работает, пока сохраняются условия для протекания повышенного тока. Микросхема перейдет в рабочий режим при устранении внешних факторов.

Обобщенные данные о различных режимах защиты приведены в таблице 1.

Таблица 1. Различные режимы защиты

Авария Условие Состояние Описание Восcтановление
Перегрузка FET (ОСР) ISINK ≥ IOCP Рабочее Выходной ток ограничен значением IOCP IO < IOCP
Выброс напряжения 38 В < VCC < 40 В Рабочее Устройство работает при наличии выброса VCC ≤ 38 В
Обратная полярность -22 В < VCC < 0 В Отключен Устройство переживет данное состояние VCC ≥ 2,5 В

Чтобы получить исключительные характеристики, в датчиках DRV5000 используются дополнительные блоки. Схемы компенсации температуры и напряжения смещения помогают добиться высокой точности и температурной стабильности чувствительности.

Задача схемы компенсации напряжения смещения (рисунок 3) – исключить постоянное напряжение смещения и его дрейф по температуре, тем самым убрав возможные ошибки измерения. Принцип работы схемы компенсации заключается в чередовании точек подключения воздействующего тока и места измерения Холловского напряжения. Частота переключения составляет порядка 125 кГц, что в несколько раз превышает рабочую полосу датчика и не влияет на его характеристики. Использование данной схемы позволяет измерить малые сигналы на выходе элемента Холла, а также уменьшает составляющую шума на низких частотах.

Рис. 3. Принцип работы схемы компенсации напряжения смещения

Рис. 3. Принцип работы схемы компенсации напряжения смещения

Наличие схемы температурной компенсации, позволяет достичь температурной стабильности чувствительности не хуже 10% в диапазоне температур (рисунок 4).

Рис. 4. Температурная зависимость чувствительности DRV5013

Рис. 4. Температурная зависимость чувствительности DRV5013

Все микросхемы семейства DRV5000 имеют одинаковое расположение выводов, которое совпадает с большинством микросхем, присутствующих на рынке, что облегчает процесс выбора решения на ранних этапах разработки. Однако при разработке платы следует учитывать разницу в реализации выходного каскада у цифровых (DRV5013/23/33) и аналоговых (DRV5053) датчиков, и необходимость использования либо подтягивающего резистора, либо резистора ФНЧ (рисунок 5).

а)

а)

б)

б)

Рис. 5. Схема включения: а) DRV5013/23/33; б) DRV5053

Несмотря на множество общих особенностей у микросхем семейства, основное отличие между ними заключается в выходном отклике на изменение магнитного поля.

Таким образом, чтобы перевести цифровой триггер DRV5013 в состояние с низким уровнем выходного напряжения, необходимо, чтобы поле, создаваемое южным магнитным полюсом возле маркированной стороны корпуса, превысило уровень срабатывания. Заданное состояние будет поддерживаться, пока не будет приложено магнитное поле обратной полярности, превышающее порог срабатывания. Такая зависимость может быть использована для управления BLDC со встроенным датчиком определения скорости вращения (RPM) за счет определения изменения магнитного поля.

Микросхемы DRV5023 и DRV5033 являются магнитными ключами, в которых состояние с низким уровнем выходного напряжения остается, только когда есть магнитное поле. При этом DRV5023 реагирует только на присутствие южного полюса, тогда как на DRV5033 может воздействовать как южный, так и северный полюса. Такие характеристики хорошо подходят для решений, где необходимо детектировать присутствие, например, для датчика открытия дверей.

В DRV5053 выходное напряжение линейно изменяется в зависимости от внешнего магнитного поля в диапазоне 0…2 В. Отсутствию магнитного поля соответствует выходное напряжение 1 В. Такой отклик будет полезен там, где есть необходимость измерения относительного месторасположения или оценки силы тока.

а)

а)

б)

б)

в)

в)

г)

г)

Рис. 6. Зависимость выходного напряжения от воздействия магнитного поля для:
а) DRV5013; б) DRV5023; в) DRV5033; г) DRV5053

При использовании датчиков магнитного поля с цифровым выходом следует учитывать, что если в момент подачи напряжения питания напряженность магнитного поля будет находиться между граничными порогами срабатывания, то выход будет находиться в неопределенном положении: либо в высокоимпедансном состоянии, либо в состоянии с низким выходным уровнем. Для того чтобы устройство функционировало нормально, необходимо, чтобы величина магнитного поля превышала заданные пороги.

Применение DRV5000 в устройствах с батарейным питанием

Используя датчики Холла с малопотребляющими микроконтроллерами, можно, благодаря сочетанию программных и аппаратных возможностей, реализовать интеллектуальные датчики с батарейным питанием. Пример такой реализации предполагает подключение датчика Холла непосредственно к выводам микроконтроллера и его периодическое включение для проведения измерений (рисунок 7). Такой режим позволяет существенно уменьшить нагрузку на батарею. Цель данного решения – уменьшить средний ток потребления за счет уменьшения времени активности самого датчика. Чем дольше время неактивности датчика, тем меньше средний ток схемы.

Рис. 7. Интеллектуальный датчик Холла со сверхнизким потреблением

Рис. 7. Интеллектуальный датчик Холла со сверхнизким потреблением

Использование микросхем семейства DRV5000 является хорошим выбором, так как сама микросхема имеет низкое потребление (2,7 мА), не требует дополнительного стабилизатора, а также обеспечивает быстрое время включения (35 мкс). И хотя в приведенном примере показан вариант решения с применением DRV5023, что позволяет детектировать только наличие южного магнитного полюса, вместо нее можно использовать DRV5033, детектирующего наличие как южного, так и северного полюсов, что расширяет диапазон применения схемы.

 

Заключение

Простота и надежность использования датчиков Холла позволят использовать их для решений, где раньше использовались механические или оптические системы. А сочетание малых размеров с низкой стоимостью делают их «рабочими лошадками» в мире датчиков. Новые микросхемы Texas Instruments позволяют реализовать весь спектр решений с применением магнитных датчиков (от простейших датчиков присутствия и местоположения до систем управления двигателями) для изделий, где важно обеспечить надежную работу системы в условиях экстремальных температур, повышенного загрязнения, радиопомех, пыли, грязи, РЧ-шума или механических повреждений.

Литература

  1. Magnetic Sensors: Growing in Use, Shrinking in Size;
  2. https://www.reportbuyer.com/product/2356933/;
  3. DRV5013 Digital-Latch Hall Effect Sensor (Rev. C);
  4. DRV5023 Digital-Switch Hall Effect Sensor (Rev. C);
  5. DRV5033 Digital-Omnipolar-Switch Hall Effect Sensor (Rev. C);
  6. DRV5053 Analog-Bipolar Hall Effect Sensor (Rev. B);
  7. Sub-Microamp, Intelligent Hall-Effect Sensing Delivers 20-Year Battery Life.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

TI_Holl_CC3200_NE_10_15

LMT01 и LMT70 – новые датчики температуры от Texas Instruments

Компания Texas Instruments представила новый цифровой датчик температуры LMT01 с разрешающей способностью выше 0,1°С, работающий по двухпроводной линии. Результат выдается в виде количества импульсов, которое прямо пропорционально измеряемой температуре. Импульсы результата идут по тем же линиям, что и питание датчика. Такой метод не требует формирования точных задержек и существенно упрощает программу микроконтроллера – достаточно подать питание на LMT01 и затем подсчитать число поступивших импульсов. В зависимости от температуры, LMT01 выдает от 26 (при температуре -50°С) до 3218 импульсов (при 150°С). Значение каждого импульса составляет 0,0625°С. Импульсы могут быть подсчитаны различными способами: программно, в прерывании от изменения сигнала на порту или с помощью таймера в режиме счетчика. Благодаря цифровому характеру измерения, LMT01 не чувствителен к наводкам и может быть вынесен на расстояние до 2 м от устройства. По исполнению LMT01 близок к популярному датчику DS18B20, однако превосходит его по простоте управления, точности, минимизации потребляемого тока и скорости преобразования.

Новый аналоговый датчик LMT70AYFQT производства компании Texas Instruments отличается повышенной точностью – до ±0,05°C, – и имеет линейную передаточную характеристику -5,19 мВ/°C. В зависимости от температуры окружающей среды датчик выдает постоянное напряжение в диапазоне от 1,375 В (при температуре -55°С) до 0,302 В (при 140°С). Напряжение питания LMT70 может находиться в пределах 2,0…5,5 В, что позволяет легко подключать его к любому типу микроконтроллеров или к отдельному внешнему АЦП. Собственное потребление не превышает 12 мкА, что позволяет использовать этот датчик в устройстве с питанием от дисковых элементов малой емкости. Датчик LMT70 имеет низкий разброс параметров: показания двух датчиков из одной упаковки при температуре 30°С не будут различаться более чем на 0,1°С.

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонен ...читать далее