Интегральные малопотребляющие датчики положения на основе эффекта Холла

Компании Texas Instruments и Honeywell предлагают датчики Холла с ультрамалым энергопотреблением для компактных применений с автономным питанием. Имеются модели для определения фиксированного положенияобъекта и для измерения его движения. В чем же отличия датчиков TI и Honeywell, и какая модель лучше подойдет в том или ином случае?

Для передачи в электрическую схему информации о положении различных подвижных элементов, таких как валы, заслонки, крышки, роторы электродвигателей, в свое время были разработаны специализированные приборы, известные как датчики положения. Существуют датчики, основанные на электромеханическом, емкостном, индуктивном, ультразвуковом, магнитном или оптическом принципе работы, а также множество комбинированных устройств. Каждый тип датчиков обладает конкретными достоинствами и недостатками и имеет свою область применений. В последние десятилетия список типов датчиков положения пополнился еще одним типом – датчиками на основе эффекта Холла.

Отличительными характеристиками современной электроники являются компактность и экономичность. И если с компактностью у датчиков Холла особых проблем никогда не было, то с экономичностью до недавнего времени было непросто: в связи с появлением экономичных электронных приборов, позволяющих устройству несколько лет работать от одноэлементной литиевой батарейки, даже небольшой ток потребления обычного датчика Холла уже вносит ощутимый вклад в общее энергопотребление системы.

Поэтому в последнее время ведущие производители электронных компонентов, в том числе Texas Instruments и Honeywell, представили новый тип датчиков положения на основе эффекта Холла, отличающийся повышенной экономичностью. Ключевой особенностью этих микросхем является ультрамалый ток собственного потребления, который в совокупности с компактными размерами и высокой чувствительностью делает их идеальными для компактных приложений с батарейным питанием, например, для беспроводных датчиков охранных систем, устройств интернета вещей и других систем.

Особенности малопотребляющих дискретных датчиков Холла
Различают линейные и дискретные датчики Холла (рисунок 1). Выходные сигналы линейных датчиков пропорциональны величине магнитной индукции. Основная сфера применения подобных устройств – измерители напряженности магнитного поля, датчики постоянных и переменных токов (рисунок 2), бесконтактные потенциометры, датчики угла поворота и прочие приложения, работающие с непрерывными сигналами. Кроме усилителя и схем температурной компенсации микросхемы, в зависимости от специализации, могут содержать множество других узлов, например, АЦП, компараторы тревожных сигналов для активизации центрального микроконтроллера, контроллеры популярных интерфейсов передачи данных, (USART, I2C, SPI и других), а также энергонезависимую память для хранения настроек.

Рис. 1. Структурные схемы датчиков Холла

Рис. 2. Датчик Холла для измерения тока
Когда абсолютное значение индукции магнитного поля не имеет значения, а важно определить лишь факт наличия или отсутствия магнитного поля – используют датчики Холла с дискретным выходом. В эти микросхемы обычно интегрируются один или несколько компараторов с гистерезисом, сравнивающих напряжение на выходе дифференциального усилителя с пороговыми уровнями. Областью применения дискретных датчиков Холла является широкий спектр автоматизированных приложений: датчики открытия дверей, частотомеры, синхронизаторы, автомобильные системы зажигания, контроллеры подвижных элементов (клапанов, задвижек, крышек и прочего), охранные системы, устройства управления электродвигателями и многие другие.

Классическим примером использования дискретных датчиков Холла являются электродвигатели, используемые в компьютерном оборудовании (рисунок 3). Размещенный на плате двигателя датчик Холла измеряет напряженность магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом ротора, формируя импульсный сигнал с логическими уровнями, частота которого пропорциональна частоте вращения, что позволяет оценить как исправность, так и производительность вентилятора.

Рис. 3. Датчик Холла в компьютерном вентиляторе
Относительно новой областью применения дискретных датчиков Холла являются устройства дистанционного мониторинга, в которых они постепенно вытесняют традиционно используемые в данных приложениях герметичные электромеханические контакты (герконы). Например, использование датчика Холла совместно с трехосевым акселерометром в беспроводном дверном датчике DMS-100, выпускаемом компанией Pandora (рисунок 4), позволяет распознать удар, поворот и состояние (открыто/закрыто) дверей, люков, крышек кофров, багажников, прицепов. Поскольку датчик DMS-100 использует беспроводной интерфейс передачи данных и питается от аккумулятора, его можно легко и быстро разместить в труднодоступных местах.

Рис. 4. Беспроводной датчик двери Pandora DMS-100
Основными преимуществами датчиков Холла по сравнению с герконами являются высокая надежность, компактность и повышенная чувствительность. Кроме этого, измерительный элемент может определять не только величину, но и полярность магнитного поля, в том числе – по нескольким координатам. Все эти преимущества позволяют позиционировать датчики Холла в качестве перспективной элементной базы.

В случае, когда непрерывный мониторинг объекта не требуется (например, для систем безопасности), энергопотребление датчика Холла может быть снижено за счет перевода в прерывистый режим работы. Например, при контроле двери или окна нет необходимости постоянно определять их состояние, достаточно это делать несколько раз в секунду, ведь скорость их перемещения относительно невелика. Благодаря тому, что измерительный элемент датчика Холла является практически безынерционным, а современная элементная база отличается высоким быстродействием, для проведения измерений уровня магнитного поля без ущерба для точности достаточно всего нескольких десятков микросекунд. Таким образом, если микросхема датчика большую часть времени будет находиться в спящем режиме, при котором потребляемый ток снижается до уровня нескольких микроампер, то среднее значение тока, потребляемого датчиком, может быть уменьшено на несколько порядков.

Например, пусть для проведения измерений достаточно 100 мкс и тока 5 мА. Если проводить измерения 10 раз в секунду с интервалом 100 мс, то при токе потребления в спящем режиме 5 мкА средний потребляемый ток Iср будет рассчитан по формуле 1 (рисунок 5):

где T1 = (t1 – 0) – продолжительность этапа измерения, T2 = (T – t1) – продолжительность спящего режима, то есть (0,1/100)∙5000 + (99,9/100)∙5 ≈ 10 мкА.

Рис. 5. Сравнение энергопотребления датчиков Холла при различных режимах работы (в условном масштабе)
Это в 500 раз меньше тока 5 мА, который бы потребляла микросхема, выполняя непрерывные измерения. Таким образом, использование прерывистого режима является эффективным средством уменьшения энергопотребления дискретных датчиков Холла без ущерба для их функциональности, что делает их идеальными для широкого круга компактных приложений с батарейным питанием.

Малопотребляющие датчики Холла производства Texas Instruments
В ассортименте TI на момент написания статьи присутствуют две модели датчиков с ультрамалым потреблением, взаимно дополняющие друг друга по своей функциональности. Ключевым отличием предлагаемых приборов является метод формирования выходного сигнала. Микросхемы DRV5032 фиксируют наличие магнитного поля с индукцией выше порогового значения, которое, в зависимости от модификации, может находиться в диапазоне 3,8…63 мТл (рисунок 6), в то время как датчики DRV5012 имеют функцию защелки, состояние которой меняется только при изменении полярности магнитного поля (рисунок 7). Это и определяет практическое назначение микросхем: DRV5032 предназначены, в первую очередь, для определения наличия каких-либо объектов, например, для фиксации открытия окна или двери, и могут работать с обычными двухполюсными магнитами, а DRV5012 – для измерения движения, например, ротора электродвигателя, и больше ориентированы на работу с многополюсными магнитами.

Рис. 6. Принцип работы датчиков DRV5032

Рис. 7. Принцип работы датчиков DRV5012
Упрощенная структурная схема датчиков DRV5032 показана на рисунке 8, а их технические характеристики приведены в таблице 1. В микросхеме интегрированы: стабилизатор напряжения, обеспечивающий необходимый режим работы всех узлов в широком диапазоне питающего напряжения, управляемый источник тока для измерительного элемента, дифференциальный операционный усилитель с компенсирующими цепями, устраняющими влияние температуры и напряжения смещения, присутствующего на выходе измерительного элемента, и управляющие выходами логические элементы. Из внешних компонентов для устойчивой работы прибора необходим лишь блокировочный керамический конденсатор емкостью не менее 0,1 мкФ, устраняющий переходные процессы в цепи питания, обусловленные импульсным характером потребляемого тока.

Рис. 8. Структурная схема микросхем DRV5032

В зависимости от версии, микросхемы DRV5032 могут быть чувствительны к полярности внешнего магнитного поля. У биполярных версий выходное напряжение принимает низкий логический уровень при увеличении индукции магнитного поля выше порогового значения, независимо от полярности (рисунок 6). Это упрощает производство оборудования, поскольку в этом случае исключается операция позиционирования полюсов магнита. Униполярные версии (с суффиксами DU и FD) могут иметь два выхода: выход OUT1 переводится в состояние логического нуля при ориентировании магнита северным полюсом к прибору, а OUT2 – южным (рисунок 9). Возможность определения полярности магнитного поля расширяет функциональность конечных приложений, позволяя определять не только наличие объекта, но и его ориентацию. В микросхемах с суффиксом DU, выпускаемых в трехвыводном корпусе SOT-23, выход OUT1 отсутствует, и они позволяют определить лишь наличие магнита, ориентированного к датчику южным полюсом.

Рис. 9. Ориентация магнитного поля для датчиков DRV5032
Тип выходов также зависит от версии прибора. В семействе присутствуют как микросхемы с двухтактным выходом, что дает возможность подключать выходы датчиков напрямую к портам микроконтроллера без использования внешних подтягивающих резисторов, так и приборы с выходом типа «открытый сток», позволяющие объединять выходы нескольких датчиков по схеме монтажного ИЛИ. Кроме этого, широкий диапазон напряжений питания 1,65…5,5 В позволяет использовать микросхемы DRV5032 с большинством популярных серий микроконтроллеров без использования дополнительных схем согласования уровней логических сигналов.

Для проведения измерений напряженности внешнего магнитного поля микросхемам DRV5032 достаточно в среднем 40 мкс. При этом все версии, кроме приборов с суффиксом FB, выполняют 20 измерений в секунду. Это позволяет при максимальном потребляемом токе 2 мА уменьшить величину его среднего значения до уровня 1,3…2,4 мкА. Еще большую экономичность обеспечивают микросхемы с суффиксом FB, у которых частота измерений уменьшена до 5 Гц, что позволяет довести средний ток потребления до уровня 0,54…1,6 мкА.

Структурная схема микросхем DRV5012 (рисунок 10) и их технические характеристики (таблица 2) во многом аналогичны DRV5032. Кроме рассмотренного выше метода формирования выходного сигнала, еще одной отличительной особенностью DRV5012 является возможность управления частотой измерений с помощью вывода SEL. При наличии низкого уровня на этом входе микросхема будет измерять напряженность магнитного поля 20 раз в секунду, а при установке логической единицы частота измерений увеличивается до 2,5 кГц. Это позволяет использовать данные приборы в приложениях как с медленными, так и с быстро протекающими процессами, а также оптимизировать энергопотребление системы в различных режимах работы.

Рис. 10. Структурная схема датчиков DRV5012

Малопотребляющие датчики Холла от Honeywell
В ассортименте одного из старейших производителей датчиков Холла – компании Honeywell – также присутствуют две модели малопотребляющих датчиков положения, отличающихся лишь чувствительностью.

Структурная схема (рисунок 11), технические характеристики (таблица 3) и принцип работы микросхем SM351 и SM353во многом аналогичны рассмотренным выше микросхемам DRV5032 производства компании Texas Instruments. Для уменьшения энергопотребления питание на аналоговые узлы подается только во время измерений, продолжительность которых составляет 15 мкс. Коммутация питания осуществляется с помощью транзисторного ключа, управляемого таймером, содержащим тактовый генератор, счетчик, дешифратор и другие необходимые компоненты. Средняя частота измерений напряженности магнитного поля равна 10 Гц. При напряжении питания 1,8 В такой режим работы при типовом значении тока в режиме измерений около 1 мА позволяет уменьшить средний ток микросхемы до уровня, не превышающего 0,4 мкА.

Рис. 11. Структурная схема датчиков SM351 и SM353
Микросхемы SM351 и SM353 нечувствительны к полярности внешнего магнитного поля и имеют двухтактные выходы, позволяющие подключать их к микроконтроллеру без использования внешних подтягивающих резисторов. Оба прибора выпускаются в компактных корпусах SOT-23 и могут работать в широком диапазоне питающих напряжений (1,65…5,5 В) и температур (-40…85°С), что позволяет использовать их в автомобильной и промышленной электронике совместно с большинством наиболее популярных микроконтроллеров.

В отличие от изделий Texas Instruments, датчикам Honeywell необходима другая ориентация магнитного поля. Для корректной работы внешние магниты должны быть ориентированы полюсами к торцевой поверхности микросхем (рисунок 12), в то время как для датчиков Texas Instruments такое расположение магнитов попадает в «слепую» зону.

Рис. 12. Ориентация магнитного поля для датчиков SM351 и SM353
Исследование характеристик датчиков Холла
Для проверки фактических характеристик малопотребляющих датчиков Холла мы сравнили микросхемы SM351LT и SM353LT компании Honeywell и DRV5032FA и DRV5032FB компании Texas Instruments. Эти приборы имеют одинаковые функциональное назначение, корпус и тип выходов и отличаются только чувствительностью, скоростью реакции и энергопотреблением. При подготовке статьи было проведено исследование пяти образцов микросхем каждой модели.

Схема и внешний вид измерительной установки показаны на рисунке 13. Каждый датчик смонтирован на отдельной макетной плате, содержащей керамический конденсатор С2, предназначенный для исключения переходных процессов в цепи питания, и резистор R3, позволяющий с помощью осциллографа контролировать форму потребляемого тока. При проведении измерений, не связанных с контролем временных диаграмм, резистор R3 замыкается внешней проволочной перемычкой.

Рис. 13. Схема измерений
Мультиметр PV1 предназначен для измерения среднего значения тока в цепях питания микросхем. Он измеряет падение напряжения на резисторе R1, сопротивление которого выбрано таким образом, чтобы при токе 1 мА разность потенциалов на нем была равна 200 мВ. Это позволяет на самом чувствительном пределе мультиметра 200 мВ измерять ток в диапазоне 0…1 мА с разрешением 0,005 мкА, что вполне достаточно для проведения исследований.

Электролитический конденсатор С1 предназначен для исключения возможной просадки напряжения во время измерений из-за увеличения внутреннего сопротивления источника питания после добавления резистора R1. Элементы R1 и С1 образуют фильтр нижних частот с постоянной времени 0,2 с, что намного больше длительности измерений (15 мкс для SM351LT и SM353LT, 40 мкс – для DRV5032FA и DRV5032FB).

Срабатывание датчика контролируется с помощью светодиода VD1, ток которого ограничивается резистором R2. Для исключения влияния нагрузки микросхемы на величину потребляемого ею тока светодиод подключен к положительному полюсу источника питания отдельным проводом, минуя фильтр R1C1.

Питание схемы осуществляется от регулируемого источника постоянного тока с контролем величины выходного напряжения. Поскольку измерение напряжения питания осуществляется до фильтра R1C1, его фактическое значение на выводах микросхем будет меньше на величину падения напряжения на резисторе R1, которое может достигать 60 мВ при напряжении питания 5 В. Поскольку проведенные исследования являются оценочными, этим можно пренебречь, ведь подключение мультиметра, обладающего хоть и высоким, но все-таки конечным внутренним сопротивлением, непосредственно к выводам питания микросхем привело бы к появлению дополнительной погрешности в измерениях тока.

Результаты измерений потребляемого тока приведены в таблице 4. Как видно из полученных данных, все исследованные датчики имеют хорошую повторяемость параметров, а полученные значения соответствуют типовым величинам, указанным в технической документации.

Анализируя зависимости средних значений потребляемого тока от напряжения питания (рисунок 14) можно увидеть, что энергопотребление приборов производства компании Texas Instruments меньше зависит от этого параметра, чем датчиков Honeywell. Вместе с этим, при напряжениях питания менее 4 В микросхемы Honeywell более экономичны, чем продукция Texas Instruments.

Рис. 14. Зависимости потребляемого тока от напряжения питания
На графиках, изображенных на рисунке 14, также хорошо видно влияние частоты измерений на энергопотребление. Ток, потребляемый микросхемой DRV5032FA с частотой 20 Гц, во всем диапазоне питающих напряжений практически в два раза больше тока микросхемы DRV5032FB, имеющей частоту 5 Гц. Можно предположить, что DRV5032FB имеет минимально возможное энергопотребление для данной технологии, и дальнейшее уменьшение частоты измерений вплоть до нуля уже не окажет существенного влияния на величину потребляемого тока.

Форму тока, потребляемого микросхемами, можно увидеть, удалив перемычку и подключив осциллограф к резистору R3. Результаты измерений (рисунок 15) подтверждают, что он имеет ярко выраженный импульсный характер и отличается в активном и спящем режимах на несколько порядков.

Рис. 15. Форма тока, потребляемого микросхемой SM351LT
Другой важной характеристикой датчиков Холла является чувствительность, определяющая особенности практического применения, а также требования к характеристикам и расположению источников магнитного поля. В технической документации на микросхемы указывается величина индукции в точке, соответствующей расположению корпуса прибора. Однако на напряженность магнитного поля существенно влияет расстояние, поэтому при использовании реальных магнитов датчик будет срабатывать на определенной дистанции, зависящей от их геометрических размеров и остаточной индукции.

Для оценки расстояния, необходимого для срабатывания датчика, можно воспользоваться документацией TI или информационными материалами, посвященными датчикам Холла. Для постоянных магнитов прямоугольной формы индукцию на расстоянии D от поверхностей полюсов магнита можно определить по формуле 2:

Для этой цели также можно воспользоваться онлайн-калькулятором, доступным на сайте Texas Instruments. Преимуществом последнего варианта является возможность быстрого определения расстояния, на котором будет срабатывать конкретный прибор. Например, введя параметры постоянного магнита на странице, посвященной датчикам DRV5032, можно сразу определить как величину индукции в нужной точке, так и расстояния, на которых сработают все версии микросхем данной модели (рисунок 17).

Рис. 17. Онлайн-калькулятор Texas Instruments
Именно этот калькулятор и был использован для определения индукции, создаваемой используемым в измерениях цилиндрическим постоянным магнитом из материала N38 8 х 8 мм (рисунок 17).

Результаты измерений чувствительности датчиков приведены в таблице 5. Согласно полученным данным, при использовании указанного выше магнита датчики Texas Instruments срабатывали на среднем расстоянии 24 мм, что соответствует индукции 3,6 мТл, и восстанавливали исходное состояние на среднем расстоянии 33…34 мм (при индукции 1,45…1,48 мТл). Во время проведения исследований магнит перемещался по оси, перпендикулярной верхней плоскости микросхемы и проходящей через ее центр (рисунок 9). Согласно технической документации, соответствующие характеристики этих приборов должны находиться в пределах 1,5…4,8 мТл (срабатывание) и 0,5…3,0 мТл (восстановление) во всем диапазоне питающих напряжений. Таким образом, все образцы микросхем DRV5032FA и DRV5032FB полностью отвечают заявленным характеристикам.

При исследованиях датчиков Honeywell магнит перемещался в соответствии с рекомендациями производителя (рисунок 12). Датчики SM351LT срабатывали при среднем расстоянии между магнитом и микросхемой, равном 36 мм, что соответствует индукции 1,25 мТл, и восстанавливали свою работу на среднем расстоянии 39 мм, что соответствует индукции 1,0 мТл. Согласно технической документации, для микросхем SM351LT индукция срабатывания должна находиться в диапазоне 3…11 Гс (0,3…1,1 мТл), а отпускания – не менее 2 Гс (0,2 мТл), причем максимальное значение этой величины не нормируется. Как видно из результатов исследований, реальная чувствительность датчиков SM351LT оказалась несколько ниже величин, заявленных в технической документации, в отличие от микросхем SM353LT, срабатывавших при средней индукции 1,86 мТл (среднее расстояние 31 мм), находящейся в допустимом диапазоне 6…20 Гс (0,6…2,0 мТл).

Заключение
Охранные системы, счетчики энергоресурсов, медицинское оборудование, устройства интернета вещей – вот далеко не полный перечень приложений, в которых можно использовать датчики Холла, рассмотренные в данной статье. Ключевыми особенностями всей техники, в которой можно применить эти микросхемы, являются компактность и жесткие требования к энергопотреблению, ведь именно для этих целей они и были разработаны.

Несмотря на то, что рассмотренные приборы выпускаются разными производителями, по своим характеристикам они взаимно дополняют друг друга, обеспечивая комплексную аппаратную платформу, на основе которой разработчики могут решить множество практических задач.

Источник: https://www.compel.ru/lib/ne/2018/7/6-integralnyie-malopotreblyayushhie-datchiki-polozheniya-na-osnove-effekta-holla