By Monica Thomas and Michael Doogue, Allegro MicroSystems, LLC, Worcester, MA. USA
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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。
图1。霍尔效应是指当外加电流受到垂直磁场的影响时,可测量的电压。
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。
有几种不同类型的霍尔效应设备适用于各种应用:开关,线性,速度/方向IC和电流传感器IC,以命名为几个。亚博尊贵会员
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。
图2..Head-on Hall actuation. TEAG is the total effective air gap.
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)。
图3。驱动滑动。TEAG是总有效气隙。
另一个用于致动霍尔设备的方法被称为叶片断路器切换。叶片是一种铁磁材料,其具有切入其中的凹口的独特配置。叶片可以定制为线性或旋转运动。通过叶片中断器切换,磁体和霍尔装置安装在固定位置,使得霍尔装置被激活磁铁被迫进入“开启”状态。当叶片的黑色材料在霍尔器件和激活磁体之间通过时,叶片形成磁通分流器,以将场转向远离霍尔装置。常用叶片中断技术经常使用精度切换(参见图4)。
图4.叶片中断器切换霍尔致动。
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。
Another use of the Hall effect is to sense current running through a wire or conductor. For small currents up to 20 A, the Hall die and the primary current path can be packaged together in a standard-footprint SOIC-8 surface mount package (see figure 6). The use of flip-chip technology leads to an optimized magnetic coupling between the active face of the Hall element and the field generated by the current to be sensed. This packaging technique eliminates the need for a flux concentrator. The internal resistance of the copper path used for current sensing is typically 1.5 mΩ for low power loss.
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
Hall-effect devices have the primary advantage over other current sensing technologies because the current sensing path is completely electrically isolated from the low voltage signal input/outputs.
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。
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。有几种技术可用于确定旋钮位置。例如,如果应用程序需要有限,则可以使用离散旋钮位置,然后可以使用诸如A1120或A321x的简单开关。应用中的每个开关都表示旋钮周围的不同位置标记。当连接到转动旋钮的磁体靠在静止开关上方之一上方时,简单的电子逻辑可以破译已经选择了哪个级别。
对于更高的精度应用,线性设备可以与微处理亚博尊贵会员器一起使用。当旋钮转动时,线性装置基于从霍尔元件的磁场的衰减提供旋钮的绝对模拟位置,而微处理器中的查找表解释磁体的位置。适当的线性装置取决于应用中所需的准确性。可能性包括A132X或可编程A138x。
从旋钮位置的开关和线性实现的不同输出电压响应如图8所示。
图8.霍尔开关与旋钮位置的线性响应。
开关es and linears can also be used to monitor fluid levels, such as in washing machines or dishwashers. An easy technique for fluid level measurement is to use multiple Hall switches in conjunction with a magnet that is suspended in a float. As the float rises within a tube, it triggers discrete switches that are positioned outside of the tube housing, digitally indicating the water level (see figure 9). The A1120 would be an appropriate switch for this application.
图9。采用磁浮子和开关的液位传感技术。
Hall technology can also be used to modify, rather than replace, traditional fluid level measurement techniques. For example, one approach currently used to determine when a drum is full is to expand a plastic diaphragm that pushes against a mechanical switch. An alternative to the mechanical switch assembly would be to implant a magnet into the diaphragm and suspend a Hall switch above it in a head-on configuration (see figure 10). Instead of a using switch, a higher resolution measurement can be achieved by using a linear. The linear solution will determine the absolute water level in the tank instead of merely indicating when the tank is full. Depending on the desired accuracy, a surface mount linear such as the A132x or programmable A138x would be suitable. In these applications, Hall has the advantage of reliability, durability, simplicity, size and weight when compared to mechanical cam based switches.
图10。液位传感技术采用充气膜片实现。
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。
可以通过将磁铁连接到旋转鼓并使用固定霍尔开关来构造简单的旋转指示器。每次滚筒都完全旋转时,开关将发出数字脉冲。该信号可用于简单地指示滚筒是否旋转,或者也可以由微处理器使用以计算速度。如果需要更高的鼓位置精度,则可以使用差分霍尔设计(例如A3425)感测滚筒的角位置,如图5所示的齿轮配置。更复杂的后偏置霍尔配置,例如A3423,能够提供鼓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。
采用霍尔电流传感器集成电路是一个健壮的和simple means of monitoring motor currents for both control and protection. Motor current consumption is directly proportional to the torque the motor exerts. Therefore, a typical method of controlling the speed and applied force of a motor is to feed back its current consumption measurement into a microprocessor. The microprocessor can then calculate whether more or less current must be applied to the motor in order to achieve the desired speed. Hall-effect current sensor ICs can be placed directly in series with the motor (or any inductive load) because they have a very low resistance copper leadframe.
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I2损失。霍尔效应电流传感器IC从电流路径完全隔离输入电源,允许高精度和低功率测量。Allegro的ACS712可在SOIC-8封装中提供,用于小型电流,ACS75x位于CB封装中,可用于更大的电流检测需求。
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
The 321x family of switches uses a unique clocking scheme and 2.75 V nominal operating voltage to achieve a typical 15 μW of power consumption. The 139x family of linear Hall devices has a 3 V nominal operating voltage with 10 mW of power consumption in the active mode. The 139x devices also have a sleep pin that allows a microcontroller to disable the device, reducing power consumption to a nominal 75 μW (see figure 12). Additionally, when the 139X device is in sleep mode the output of the device transitions to a high impedance state. Therefore, multiple 139X linear Hall sensor ICs can be connected to a single analog-to-digital converter input as long as a polling scheme is used to monitor the output of a single A139X device at any point in time.
图12。图3伏,A139x微电源线性睡眠引脚输入。
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Allegro Selection Guides.
Table 1: Modern Appliance Applications for Hall-Effect Devices
器具
应用
霍尔器件类型选项
洗衣机
盖/门打开/关闭
开关
电机电流
线性;集成电流传感器IC
滚筒速度/方向
齿轮;接近;开关
失去平衡
线性;开关
水位
循环控制拨号
流量计
闩锁;双极开关;线性
烘干机
鼓速度
腰带
开关;integrated current sensor IC
Oven
门烤箱灯
自清洁门锁/互锁
冰箱
制冰机已满
插销;开关
门灯
货架位置
洗碗机
门打开/关闭
喷雾器运动
开关;线性
Latches; bipolar switches
Vacuum Cleaner
VR电机换向
双极开关es
开/关
速度控制
自动售货机
原位
脉冲计数/编码器
双极开关
选择切换
车库开门器
最终停止位置
搅拌机
Water Softener
阀门位置
插销;开关; linear
G. Pepka. "基于霍尔效应传感技术的位置和电平传感."亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems技术论文。Sensor Review Journal SR27-1, February 2007.
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本文所述的产品在下列一项或多项中制造在下列5,619,137中;5,621,319;6,781,359;7,075,287;7,166,807;7,265,531;7,425,821;或其他专利申请。
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