霍尔效应磁感应技术在现代家电中的应用

霍尔效应磁感应技术在现代家电中的应用

作者：Monica Thomas和Michael Doogue，Alleg亚博棋牌游戏ro MicroSystems，LLC，马萨诸塞州伍斯特市。美国

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随着各种各样的解决方案可用于位置，速度和电流传感应用，设计师可以选择最佳的技术和包，以实现他们的商业和工程目标。必须考虑的关键因素总是相同的，如成本、行程距离、分辨率、精度、可靠性和亚博尊贵会员耐久性，这些因素不可避免地将应用要求与适当的传感技术结合起来。在可能的解决方案中，具有非接触式磁感应的霍尔效应技术提供了非凡的价值。

介绍

随着技术的进步，霍尔效应传感器集成电路正进入许多现代家用电器。霍尔效应是指当流过导体的电流受到磁场影响时，出现在导电材料（例如硅）上的可测量电压（见图1）。在这些条件下，由于洛伦兹力和电磁力的平衡，产生了垂直于外加电流的横向电压。

霍尔效应传感器集成电路比传统的机械和簧片器件有许多优点。霍尔传感器集成电路的非接触实现通过几乎消除机械磨损和疲劳来提高可靠性和耐久性。这些设备还具有感应磁场的能力，而磁场是由有色金属材料的物理障碍。小型、轻量级的包大小减少了实现空间和机械复杂性。许多传感器IC是用户可编程的，以满足定制的操作和精度要求。

背景

有几种不同类型的霍尔效应器件适合各种应用：开关、线性器、速度/方向集成电路和电流传感器集成电路等等。亚博尊贵会员

开关和线路

开关根据磁操作（B）产生数字输出_操作)和释放（B_卢比)特定设备的点。线性器产生与外加磁场成正比的模拟或脉宽调制（PWM）输出。

在开关和线性应用中，有几种可能的磁铁配置用亚博尊贵会员于驱动装置。例如，“正面”操作模式是指将磁铁垂直于霍尔器件的活动面移动，如图2所示。

或者，“滑动”操作模式是指将磁铁平行于霍尔器件的活动面移动（见图3）。滑动法由于其较小的磁铁行程，通常比正面法具有更好的传感精度。磁极之间的大磁斜率使得获得非常精确的开关点位置成为可能。然而，滑动法也需要使用强磁铁和小的总有效气隙（TEAG）。

另一种驱动霍尔器件的方法称为叶片式断续器开关。叶片是一种铁磁性材料，具有独特的切口结构。叶片可以是线性或旋转运动的自定义形状。随着叶片断续器开关，磁铁和霍尔装置安装在一个固定的位置，使霍尔装置被迫进入“开启”状态激活磁铁。当叶片的铁质材料通过霍尔装置和激活磁铁之间时，叶片形成磁分流器以将磁场从霍尔装置转移开。叶片断续器技术经常用于需要精确切换的地方（见图4）。

图4。叶片断续器开关霍尔驱动。

速度和方向IC

叶片式灭弧室开关的一种变化是使用专门的后偏置霍尔效应器件（见图5）。反向偏置装置可用于接近开关或齿轮齿速度和角度传感。有了这些设备，一个稀土颗粒和霍尔传感器集成到一个单一的封装中，减少了放置和校准问题。反向偏置传感器IC通常处于“关闭”状态。当铁质材料通过封装前面时，磁场通过霍尔器件的活动面，激活IC。

图5。齿轮齿霍尔驱动。

电流传感器集成电路

霍尔效应的另一个用途是感应流经导线或导体的电流。对于高达20 A的小电流，霍尔管芯和一次电流通路可以封装在标准封装外形SOIC-8表面贴装封装中（见图6）。倒装芯片技术的使用导致霍尔元件的有源面和被感测电流产生的磁场之间的优化磁耦合。这种封装技术消除了对焊剂浓缩器的需要。用于电流传感的铜通道的内阻通常为1.5 mΩ，以实现低功耗。

图6。SOIC-8封装的霍尔电流传感器。

对于高达200 A的较大电流，必须增加铜导线的尺寸，以考虑材料内的电流密度。由于这种较厚的导体和线性霍尔元件之间存在磁耦合，因此必须使用磁通集中器（见图7）。典型的一次导体电阻可低至100μΩ。

图7。用于大电流（>200A）应用的电流传感器IC装置。亚博尊贵会员

霍尔效应器件比其他电流传感技术具有主要优势，因为电流传感路径与低压信号输入/输出完全电隔离。

应用实例

霍尔技术已经在许多应用中取代了传统的传感技术，包括门开关、旋钮位置、滚筒速度、水位测量和电机控制。选择合适的霍尔器件取决于所需的精度和控制水平。本文提亚博尊贵会员供了一个如何霍尔技术可以在现代家电应用中使用的样本。

旋钮位置

霍尔传感器IC提供了一种非接触式解决方案，用于确定设备的旋钮位置。有几种方法可用于确定旋钮位置。例如，如果应用程序需要有限的离散旋钮位置，则可以使用A1120或A321x等简单开关。应用程序中的每个开关代表旋钮周围的一个不同位置标记。当一个附在旋转手柄上的磁铁停在其中一个固定开关的上方时，简单的电子逻辑可以破译所选的电平。

对于更高精度的应用，线性设备可以与微处理亚博尊贵会员器结合使用。当旋钮转动时，线性装置根据霍尔元件的磁场衰减提供旋钮的绝对模拟位置，同时微处理器中的查找表解释磁铁的位置。适当的线性装置取决于应用中所需的精度。可能包括A132x或可编程A138x。

开关和旋钮位置的线性实现的不同输出电压响应如图8所示。

图8。霍尔开关对旋钮位置的线性响应。

液位检测

开关和线路也可以用来监控液位，比如洗衣机或洗碗机。一种简单的液位测量技术是将多个霍尔开关与悬浮在浮子中的磁铁结合使用。当浮子在管内上升时，它触发位于管壳外部的离散开关，以数字方式指示水位（见图9）。A1120将是该应用的合适开关。

图9。采用磁浮子和开关的液位传感技术。

霍尔技术也可以用来修改，而不是取代传统的液位测量技术。例如，目前用于确定卷筒何时装满的一种方法是展开一个塑料膜片，该膜片推动机械开关。机械开关组件的另一种替代方法是将磁铁植入隔膜中，并将霍尔开关悬挂在其上方，使其处于迎头配置（见图10）。代替使用开关，更高的分辨率测量可以通过使用线性。线性解决方案将确定水箱中的绝对水位，而不是仅仅指示水箱何时满。根据所需的精度，表面贴装线性，如A132x或可编程A138x将是合适的。在这些应用中，霍尔具有可靠性、耐用性、简单性、尺寸和重量等优点，与基于机械凸轮的开关相比。亚博尊贵会员

图10。液位传感技术采用充气膜片实现。

滚筒旋转检测

霍尔传感器IC适用于各种滚筒旋转感测需求，如速度、方向和断带检测。

一个简单的旋转指示器可以通过将磁铁连接到纺纱滚筒并使用固定的霍尔开关来构造。每次滚筒完全旋转时，开关都会发出一个数字脉冲。这个信号可以用来简单地指示转鼓是否在旋转，也可以被微处理器用来计算速度。如果需要更高的转鼓位置精度，可以使用差分霍尔设计（如A3425）和齿轮配置（如图5所示）来感测转鼓的角位置。更复杂的后偏置霍尔配置，如A3423，能够提供滚筒速度信息和方向检测。

除了检测转鼓的位置、速度和方向外，还可以检测断带故障。例如，当烘干机皮带断裂时，如果烘干机中的加热元件未能关闭，则转动不足可能导致衣物着火。图11显示了一个可能的断带检测电路，该电路使用连接到纺纱滚筒的磁铁和一个固定的霍尔开关工作。在该电路中，中心节点按R1C1对确定的速率充电。当磁铁经过霍尔开关时，IC VOUT信号经历高-低-高转换。VOUT信号的上升沿暂时打开晶体管Q1，使中心节点放电。断裂的皮带将阻止滚筒旋转，防止出现上升边缘过渡。这允许中央节点自由充电。当中央节点达到打开达林顿对的电压时，电路输出切换到数字低信号，表示皮带断裂故障。

图11。断带检测电路采用简单的霍尔开关。

电机控制

霍尔效应电流传感器集成电路是一个强大和简单的手段，监测电机电流的控制和保护。电机电流消耗与电机施加的转矩成正比。因此，控制电动机的速度和作用力的一种典型方法是将其电流消耗测量值反馈给微处理器。然后，微处理器可以计算是否必须向电机施加更多或更少的电流才能达到所需的速度。霍尔效应电流传感器集成电路可以直接与电机（或任何感性负载）串联，因为它们有一个非常低的电阻铜引线框架。

传统的感应电机电流的方法是将分流器置于电机控制总成的接地开关中。用这种方法，只有一半的电机电流可以监测，这降低了准确性和增加了I²R损失。霍尔效应电流传感器集成电路的输入电源与电流路径完全隔离，允许高精度和低功耗测量。Allegro的ACS712采用SOIC-8封装，用于小额定电流，ACS75x采用CB封装，用于更大的电流感应需求。

微型电源解决方案

随着社会对环境问题认识的不断发展，对低能耗家电的需求也越来越强烈。美国联邦政府能源之星计划的要求每年都越来越严格。Allegro MicroSystems是第一家提供微功率霍尔开关和线性器的公司，以帮助制造商将设备能耗降到最低。亚博棋牌游戏

321x系列开关采用独特的时钟方案和2.75 V标称工作电压，以实现典型的15μW功耗。139x系列线性霍尔器件的额定工作电压为3v，在有源模式下功耗为10mw。139x设备还有一个休眠引脚，允许微控制器禁用该设备，从而将功耗降低到标称75μW（见图12）。此外，当139X设备处于睡眠模式时，设备的输出转换为高阻抗状态。因此，多个139X线性霍尔传感器ic可以连接到单个模数转换器输入，只要使用轮询方案在任何时间点监视单个A139X设备的输出。

图12。图3伏，A139x微电源线性睡眠引脚输入。

结论

本文所描亚博尊贵会员述的应用只是霍尔技术如何比传统实现技术提高现代设备性能和可靠性的几个例子。表1总结了其他霍尔应用。可以使用快板选择指南.

工具书类

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亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems技术论文。
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