Типы датчиков магнитного поля;

Что такое датчик Холла

Датчики Холла представляют из себя твердотельные радиоэлементы, которые становятся все более популярными в радиолюбительской среде и разработке радиоэлектронных устройств. Они применяются в датчиках измерения положения, скорости или направленного движения. Они все чаще заменяют собой путевые выключатели и герконы. Так как такие датчики являются абсолютно герметичными и представляют из себя простой радиоэлемент, то они не боятся вибрации, пыли и влаги. То есть по сути датчик Холла простыми словами — это радиоэлемент, который реагирует на внешнее магнитное поле.

Интересно, что датчик Холла есть во многих современных смартфонах (пусть и упрощенный его вариант). Он может определять наличие магнитного поля и работает вместе с магнитным сенсором, который отвечает за работу компаса. Также датчик Холла используется в телефонах, для которых которых доступны специальные чехлы с магнитной защелкой — Smart Case. Сенсор определяет, открыта или закрыта крышка чехла, и автоматически включает/отключает дисплей. Чтобы узнать, какие датчики есть в смартфоне, используйте эту инструкцию.

Эффект Холла

Дело было еще в 19-ом веке. Американский физик Эдвин Холл обнаружил очень странный эффект. Он взял пластинку золота и стал пропускать через неё постоянный ток. На рисунке эту пластинку я пометил гранями ABCD.

Он пропускал постоянный ток через грани D и B. Потом поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и обнаружил напряжение на гранях А и C!  Этот эффект и был назван в честь этого великого ученого. Основной физический принцип данного эффекта был основан на силе Лоренца. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, стали называть датчиками Холла.

Но здесь один маленький нюанс. Дело в том, что напряжение Холла даже при самой большой напряженности магнитного поля будет какие-то микровольты. Согласитесь, это очень мало. Поэтому, помимо самой пластинки в датчик Холла устанавливают усилители постоянного тока, логические схемы переключения, регулятор напряжения а также триггер Шмитта. В самом простом переключающем датчике Холла все это выглядит примерно вот так:

Supply Voltage — напряжение питания датчика

Ground — земля

Voltage Regulator — регулятор напряжения

А — операционный усилитель

Hall Sensor — собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch — выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Линейные (аналоговые) датчики Холла

В линейных датчиках напряжение Холла (напряжение на гранях А и С) будет зависеть от напряженности магнитного поля. Или простыми словами, чем ближе мы поднесем магнит к датчику, тем больше будет напряжение Холла. Это и есть прямолинейная зависимость.

В линейных датчиках Холла выходное напряжение берется сразу с операционного усилителя. То есть в линейных датчиках вы не увидите триггер Шмитта, а также выходного переключающего транзистора. То есть все это будет выглядеть примерно вот так:

О чего же зависит напряжение на гранях А и С? В основном от магнитного поля, создаваемым либо постоянным магнитом, либо электромагнитом; толщиной пластинки, а также силой тока, протекающего через саму пластинку.

Теоретически, если подавать ну очень сильный магнитный поток на датчик Холла, то напряжение Холла будет бесконечно большим? Как бы не так). Выходное напряжение будет лимитировано напряжением питания. То есть график будет выглядеть примерно вот так:

Как вы видите, до какого-то момента у нас идет линейная зависимость выходного напряжения датчика от плотности магнитного потока. Дальнейшее увеличение магнитного потока бесполезно, так как оно достигло напряжения насыщения, которое ограничено напряжением питанием самого датчика Холла.

Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого провода, например, токовые клещи.

Существуют также приборы, с помощью которых можно замерять напряженность магнитного поля. Датчики Холла, используемые в этих приборах, называют линейными, так как напряжение на датчике Холла прямо пропорционально плотности магнитного потока.

Линейные датчики, как я уже сказал, могут быть использованы в токовых клещах. Они позволяют измерять силу тока, начиная от 250 мА и до нескольких тысяч Ампер. Самым большим преимуществом в таких токовых клещах является отсутствие механического контакта с измеряемой цепью. Иными словами, токовые измерители на эффекте Холла намного безопаснее, чем измерители на основе шунта и амперметра, особенно при большой силе тока в цепи, которую нередко можно встретить в промышленных установках.

Цифровые датчики Холла

Как только наступила  эра цифровой электроники, в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы. Самый простой датчик Холла на триггере Шмитта мы уже рассмотрели выше и он выглядит вот так:

По сути такой датчик имеет только два состояние на выходе. Либо сигнал есть (логическая единица), либо его нет (логический ноль). Гистерезис на триггере Шмитта просто устраняет частые переключения, поэтому в цифровых датчиках Холла он используется всегда.

В результате промышленность стала выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном такие датчики делятся на три вида:

Реагируют только на один магнитный полюс. На противоположный магнитный полюс не обращают никакого внимания. К примеру, подносим южный полюс магнита и датчик сработает. На северный магнитный полюс он реагировать не будет.

Подносим магнит одним полюсом — датчик сработает и будет продолжать работать даже тогда, когда мы уберем магнит от датчика. Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

Как проверить датчик Холла

Давайте рассмотрим работу цифрового биполярного датчика Холла марки SS41. Выглядит наш подопечный вот так:

Судя по даташиту, на первую ножку подаем плюс питания, на вторую — минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

Для этого соберем простейшую схему: светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и сам датчик Холла.

Теперь цепляемся к нашей схеме от блока питания, выставив на нем 5 Вольт. Минус на средний вывод, а плюс питания — на первый.

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

Чтобы не перепутать полюса, я пометил красным бумажным ценником один из полюсов магнита. Какой именно — я не знаю, так как не имею компаса, с помощью которого можно было бы узнать, где северный полюс, а где южный.

Как только я поднес магнит «красным» полюсом к датчику холла, то у меня светодиод сразу потух.

Переворачиваю магнит другим полюсом, подношу его к датчику Холла и вуаля!

Если магнит не переворачивать, то есть не менять полюса, то светодиод также останется потухшим, потому что датчик биполярный.

Кстати, читайте про биполярный транзистор.

А вот и видео работы

Как вы видите на видео, мы с помощью магнита управляем датчиком Холла. Датчик Холла выдает нам два состояния сигнала: сигнал есть — единичка, сигнала нет — ноль. То есть светодиод горит — единичка, светодиод потух — ноль.

Применение датчиков Холла

В настоящее время область применения датчиков Холла очень обширна и с каждым годом становится все шире и шире. Вот основные применения:

Применение линейных датчиков

• датчики угла поворота
• бесколлекторные двигатели постоянного тока

Применение цифровых датчиков

• датчики частоты вращения
• датчики систем зажигания автомобилей
• датчики положения клапанов
• датчики бумаги (в принтерах)

Заключение

Чем же так хороши датчики Холла? Если соблюдать нормальные рабочие значения напряжения и тока, то теоретически датчика хватит на бесконечное число включений-выключений. Они не имеют электромеханического контакта, который бы изнашивался, в отличие от геркона  и электромагнитного реле. В настоящее время они уже почти полностью заменили герконы.

Приобрести датчик эффектов Холла

12 ноября 2015

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 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

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

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);
• 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.

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.

Таблица 1. Различные режимы защиты

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

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

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).

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.

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

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.

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

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

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

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.

Cовременные магнитные датчики позволяют производить измерения магнитной индукции по всем трем осям. Благодаря этому область их применения постоянно расширяется. Их используют в самых различных бесконтактных системах: энкодерах, датчиках положения, джойстиках и так далее. Применение трехосевого датчика TLV493D производства компании Infineon в системе защиты приборов учета от воздействия внешних магнитных полей имеет большие перспективы.

Приборы учета давно стали неотъемлемой частью системы потребления энергии. Счетчики газа, воды, электроэнергии, тепла можно встретить практически в любой квартире. Точный учет выгоден не только потребителям, но и самим поставщикам ресурсов. Однако серьезной проблемой в данной сфере было и остается воровство. Причем это не всегда несанкционированные подключения, иногда – достаточно высокотехнологичный обман. Недобросовестные потребители пытаются, и зачастую – успешно, манипулировать показаниями счетчиков. В народе это часто называют «скруткой» счетчиков.

По этой причине существует множество специализированных национальных и интернациональных стандартов, в которых указаны требования по устойчивости счетчиков к внешним воздействиям магнитных полей. Например, МЭК 62053-22 – интернациональный стандарт, ANSI C12-202002 в США, IS13779 и CBIP-304 в Индии. В России используют русифицированный стандарт МЭК 62053-22: ГОСТ 31819.22-2012.

Для того чтобы выпустить счетчик на рынок, необходимо, чтобы он имел высокий уровень защиты от внешних магнитных полей.

Рис. 1. Трехмерный магнитный датчик

Одним из решений по борьбе с манипулированием показаниями счетчиков является обнаружение внешних магнитных полей самим прибором учета, что дает возможность поймать мошенников за руку. Для этой цели используют магнитные датчики.

Раньше, когда существовали только одноосевые магнитные датчики, решить эту проблему было достаточно сложно. Однако с появлением новых трехосевых сенсоров все становится намного проще. Достаточно одного такого датчика, чтобы обнаружить приближающийся магнит. При этом не важно, с какой стороны его подносит злоумышленник. Сенсор формирует полную объемную сферу чувствительности (рисунок 1).

С такой задачей отлично справляется трехосевой магнитный датчик TLV493DA1B6 производства компании Infineon. Рассмотрим его структуру и особенности применения в различных приложениях и проанализируем преимущества, которые дает его использование при защите приборов учета от магнитных полей: упрощение конструкции и схемотехнической реализации, снижение стоимости и уровня потребления.

Магнитный датчик TLV493D-A1B6 от Infineon

Рис. 2. Внешний вид магнитного датчика TLV493DA1B6 производства компании Infineon

TLV493D-A1B6 – трехосевой магнитный датчик с цифровым коммуникационным интерфейсом I2C, выполненный в миниатюрном корпусе TSOP-6 размером всего 2,9х2,5 мм (рисунок 2).

Корпус TSOP-6 имеет всего шесть выводов, причем ровно половина из них – выводы земли (GND). Еще один – вывод питания VCC, два оставшихся служат для подключения к шине I2C (SDA и SCL/INT). Несмотря на такую внешнюю простоту, внутренняя структура у TLV493D-A1B6 достаточно сложна.

Микросхема TLV493D-A1B6 объединяет в себе около десятка функциональных блоков (рисунок 3): три независимых датчика Холла, датчик температуры, 12-битный АЦП, мультиплексор, блок питания, регистры и логику управления, коммуникационный блок I2C.

Все датчики Холла имеют одинаковую конструкцию, но взаимно ортогональную ориентацию вдоль осей OX, OY, OZ. В итоге напряжение выходного сигнала каждого из сенсоров зависит от положения магнитного объекта вдоль конкретной оси. По суммарным показаниям всех трех сенсоров можно определять пространственное положение магнитного элемента.

Рис. 3. Структура магнитного датчика TLV493D-A1B6

Измеряемый диапазон индукции магнитного поля составляет ±130 мТл для каждой оси (таблица 1). При этом предельное значение индукции поля достигает 1 Тл.

Таблица 1. Характеристики трехосевого магнитного датчика TLV493D

Кроме магнитных датчиков, в структуре TLV493D-A1B6 предусмотрен датчик температуры. Он необходим для компенсации температурных дрейфов. Его невысокой точности (±10°C), в большинстве случаев бывает достаточно для выполнения простой калибровки и защиты от перегрева.

Оцифровка выходных сигналов всех датчиков (датчиков Холла и датчика температуры) производится с помощью единственного 12-битного АЦП последовательного приближения. Коммутация датчиков производится с помощью мультиплексора.

12-битный АЦП позволяет измерять индукцию с чувствительностью 10,2 LSB/мТл, а температуру – с чувствительностью 1,1 LSB/°C. Стоит отметить, что датчик имеет значительный дрейф чувствительности ±20% и относительно высокое значение дифференциальной нелинейности ±5 LSB. Тем не менее, этого вполне хватает для очень широкого круга приложений.

Быстродействие датчиков ограничено скоростью работы АЦП. Максимальная частота выборок при круговом опросе всех осей (без измерения температуры) достигает 3,3 кГц.

Результаты преобразований АЦП помещаются в буферные регистры, откуда их вычитывает управляющий микроконтроллер. Связь с микроконтроллером осуществляется по двухпроводной шине I2C. Частота передачи данных по I2C достигает 1 Мбит/с.

Несмотря на миниатюрное исполнение, TLV493DA1B6 имеет широкие возможности. Он способен выполнять достаточно точные и быстрые измерения индукции по всем трем осям и контролировать температуру. Это позволяет использовать данный датчик для обнаружения перемещений магнитных объектов по самым различным траекториям в самых различных приложениях.

Особенности использования магнитного датчика TLV493D

По показаниям всех трех ортогональных датчиков Холла можно отслеживать передвижения магнитного объекта (обычно это самый простой магнит) по любой траектории – вращения, линейные перемещения, сложные трехмерные движения (рисунок 4).

Рис. 4. Обнаружение перемещений различного типа с помощью TLV493D-A1B6

Линейные движения – самые простые, для их обнаружения достаточно простейшего одноосевого магнитного датчика. Примером таких приложений являются простейшие датчики открытия дверей, датчики положения рабочих механизмов или инструмента и другие.

Если требуется определять вращательные движения в прямом и обратном направлении – нужно задействовать уже две оси: два датчика Холла или один TLV493D-A1B6. Самыми простыми примерами таких систем являются бесконтактные энкодеры в ручках настройки громкости или подстройки частоты радиоприемников. В промышленности с помощью таких датчиков контролируют положение валов электродвигателей и частоту их вращения.

Рис. 5. Использование TLV493D-A1B6 в коробках передач

Рис. 6. Использование TLV493D-A1B6 в джойстиках и манипуляторах

Существуют приложения, в которых совмещены вращательное и линейное движения в одной плоскости, например, контроль положения рычага передач в автомобилях (рисунок 5). Ось, на которой закреплен рычаг, находится выше магнитного элемента, расположенного на нижнем конце рычага. В результате при перемещении ручки магнит совершает вращательные движения. Чтобы определить положение рычага по магнитному элементу с помощью одноосевых датчиков, потребуется разбить всю траекторию на линейные участки. За каждый из участков будет отвечать один датчик. С помощью TLV493DA1B6 задача решается значительно проще – требуется всего один датчик, который отслеживает магнит в одной плоскости, при этом наличие еще одной оси позволяет компенсировать несоосное расположение датчиков и рычага.

Рассмотрим и самый сложный тип движения – трехмерные перемещения. Для их отслеживания потребуется минимум три одноосевых датчика Холла или один TLV493DA1B6. Примерами таких приложений являются различные манипуляторы.

На рисунке 6 изображена упрощенная конструкция джойстика, у которого ось совпадает с центром магнитного элемента. При этом поворот рычага ориентирует магнитное поле в трех измерениях. Чтобы обсчитать такую траекторию достаточно одного датчика TLV493D-A1B6. При этом к функциям джойстика можно с легкостью добавить функцию нажатия (когда механизм может совершать еще и продольные движения вдоль оси OZ).

Если внимательно присмотреться к последнему примеру, то выяснится, что реализовать его с помощью одноосевых датчиков проблематично. Чтобы однозначно контролировать сразу три оси, потребуется даже не три, а гораздо больше таких датчиков. Еще более сложным будет случай, когда положение магнита будет абсолютно произвольным. Вы скажете, что нет таких приложений? Зато правонарушения такие точно есть! Например, обман электронных счетчиков.

Защита электронных счетчиков с помощью TLV493DA1B6

Времена, когда поставка коммунальных услуг (электричества, воды, газа, тепла) осуществлялась без учета потребления, давно прошли. Сначала нормой жизни стали счетчики электричества, затем воды и газа, постепенно внедряются счетчики тепловой энергии.

Интересно наблюдать за эволюцией приборов учета на примере счетчиков электричества. Все помнят обычные механические диски советских счетчиков, монотонно вращающиеся в прихожих и на лестничных клетках многоэтажных домов. Сейчас счетчики представляют собой малогабаритные, но мощные вычислительные машины с поддержкой многотарифной сетки, с ЖК-экраном и беспроводными интерфейсами.

В основном развитие счетчиков вызвано желанием собственников жилья и поставщиков более точно учитывать потребление из-за высокой стоимости тарифов. Но есть и другие, более негативные факторы.

Повышение стоимости тарифов привело к росту интереса отечественных «кулибиных» к обману и скрутке счетчиков. Впрочем, началось все еще во времена Советского Союза. Наверное, у каждого человека был грамотный сосед или знакомый, который мог так умело положить магнит на электрический счетчик, что тот переставал считать. Однако в советское время это было редким явлением, так как стоимость тарифов была достаточно низкой. Сейчас же все изменилось.

В настоящее время старые дисковые счетчики более не разрешены – наступила эра электронно-механических и электронных приборов учета. Тем не менее, это не значит, что пропала необходимость в их защите от посягательств мошенников. В структуре любого прибора учета есть слабые места. Во избежание недопонимания в данной статье мы не станем их перечислять, но укажем простой и надежный способ обнаружения попыток обмана счетчиков с использованием магнитов.

Здесь стоит еще раз напомнить, что манипулированием приборов учета занимаются не только в России, но и в развитых странах, где тарифы еще выше, чем у нас. По этой причине в каждой стране счетчик должен соответствовать требованиям по устойчивости к внешним воздействиям магнитных полей.

В России для сертификации бытовых приборов учета используют русифицированный стандарт МЭК 62053-22: ГОСТ 31819.22-2012 (IEC 62053-22:2003) «Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 22. Статические счетчики активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S». В данном ГОСТе требования стойкости к внешним воздействиям магнитного поля приведены в разделах 8.2 и 8.2.3. Для стандартных счетчиков класса точности 0,5S и 0,2S дополнительная погрешность при воздействии внешней индукции не должна превышать 2%.

Это значит, что для того, чтобы создать и выпустить на рынок счетчик, в обязательном порядке придется обеспечивать его защиту от магнитного воздействия. Однако такое воздействие необходимо как минимум обнаружить. На рисунке 7 точка приложения магнитного поля не определена. Мошенник может начать проверять счетчик «на прочность» в любом удобном ему месте.

Рис. 7. Попытки с помощью постоянного магнита повлиять на работу счетчика

Для обнаружения магнитных полей логично использовать магнитные датчики. Применение одноосевых датчиков грозит рядом сложностей (рисунок 8):

• потребуется как минимум два или три однотипных датчика;
• каждый из датчиков в идеале должен быть сориентирован перпендикулярно двум другим;
• как минимум один датчик придется ставить перпендикулярно основной плате счетчика, что абсолютно нетехнологично и неудобно;
• наличие трех датчиков приведет к значительному росту потребления, что не всегда допустимо;
• стоимость устройства значительно вырастет.

Рис. 8. Использование магнитных датчиков для защиты счетчиков

Все перечисленные проблемы решаются с помощью одного единственного TLV493DA1B6 (рисунок 8). Разместить его можно в любой части платы вместе с остальными компонентами схемы. Он позволит создать возле счетчика круговую зону чувствительности и сообщать управляющему контроллеру о любых посягательствах извне.

Применение TLV493DA1B6 имеет следующие преимущества:

• Необходимость в только одном датчике для обнаружения магнитных воздействий;
• простота конструкции счетчика, не требуется дополнительных перпендикулярных плат;
• простота схемотехнической реализации;
• низкая стоимость решения;
• дополнительная возможность измерения температуры;
• уменьшение габаритов устройства;
• сверхнизкое потребление;
• высокая надежность.

Электрические характеристики и схема включения TLV493D

Простота схемы включения, низкое потребление и надежность – бесспорные достоинства TLV493D.

TLV493D-A1B6 выпускается в шестивыводном корпусе TSOP-6, причем четыре вывода относятся к цепям питания. В результате схема включения TLV493D-A1B6 оказывается даже не простой, а элементарной. Для ее реализации потребуется всего несколько пассивных компонентов, большая часть из которых относится к I2C-интерфейсу (рисунок 9).

Рис. 9. Схема подключения магнитного датчика TLV493D-A1B6

Говоря об уровне потребления, стоит отметить высокую гибкость работы TLV493D-A1B6. Изменяя частоту опроса и перечень опрашиваемых каналов, можно значительно изменять потребляемый ток микросхемы.

Кроме основного рабочего режима измерений TLV493D-A1B6 имеет три режима пониженного потребления, которые управляются с помощью внешнего контроллера (таблица 2):

• Рабочий режим, при котором доступна максимальная частота опроса, однако расплатой за это становится и максимальное потребление до нескольких мА. Снизить питающий ток можно за счет уменьшения частоты опроса. Также стоит аккуратно обращаться с датчиком температуры: по подсчетам инженеров Infineon выключение датчика позволит сэкономить до 25% от мощности потребления.
• В режиме Low Power частота опроса ограничена 100 Гц. Ток потребления составляет в среднем 80 мкА.
• А режиме Ultra Low Power частота опроса ограничена 10 Гц. Ток потребления составляет в среднем 10 мкА.
• В режиме Power Down датчик выключен и не производит измерений. Ток потребления не превышает 100 нА.

Таблица 2. Характеристики потребления TLV493D

Высокая надежность TLV493DA1B6 определяется встроенной защитой от статики (ESD) (таблица 3). Датчик выдерживает разряд 1,5 кВ при испытаниях воздействия модели человеческого тела (HBM). При испытании контактного разряда крайние выводы корпуса выдерживают 700 В, а средние – до 500 В.

Таблица 3. Параметры защиты TLV493D-A1B6 от статики

Для того чтобы максимально быстро ознакомиться со всеми достоинствами магнитных датчиков TLV493DA1B6, следует воспользоваться оценочным набором.

Оценочный набор 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit

Оценочный набор 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit включает в себя отладочную плату и постоянный магнит.

Отладочная плата предназначена для подключения к USB-порту компьютера. На плате расположен сам магнитный датчик, микроконтроллер XMC1100, регулятор напряжения для питания от USB, мост UART-USB, светодиоды и разъемы (рисунок 10).

Рис. 10. Базовая плата отладочного набора 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit

• программу для ПК с графическим интерфейсом;
• утилиту от компании Segger для программирования микроконтроллера XMC1100 (Infineon);
• исполнительный код для микроконтроллера XMC1100.

Кроме того, к услугам пользователя предлагаются специализированные магнитные конструкции для создания джойстика (код заказа SP001491834) и поворотного регулятора (код заказа SP001504602). Они приобретаются отдельно. Внешний вид отладочной платы с установленными магнитными системами представлен на рисунке 11.

Рис. 11. Отладочный набор 3D Magnetic Sensor 2 Go Kit и дополнительные магнитные системы

TLV493DA1B6 – трехосевой магнитный датчик, который позволяет отслеживать самые сложные пространственные траектории магнитных объектов. Благодаря встроенному 12-битному АЦП чувствительность измерений по каждой оси достигает 98 мкТл/LSB при частоте опроса до 3,3 кГц.

TLV493DA1B6 позволяет реализовать целый ряд устройств – от датчика положения рычага коробки передач и цифровых энкодеров до сложных манипуляторов и джойстиков.

Одним из интересных приложений для TLV493D-A1B6 стали системы защиты счетчиков от воздействия внешних магнитных полей. С их помощью удается добиться снижения стоимости, сокращения потребления и упрощения схемотехнической и конструктивной реализации устройства в целом.

• Low Power 3D Magnetic Sensor with I2C Interface. TLV493D-A1B6 3D Magnetic Sensor. Datasheet. Rev.1. Infineon, 2016.
• Anti-Tampering Solution for E-Meter Application. TLV493D 3D Magnetic Sensor. Application Note. Rev.1. Infineon, 2015.
• Using a Magnetic 3D Sensor in a Gear Stick Application. 3D Magnetic Sensors. Application Note. Rev.1. Infineon, 2015.
• How to Make a Magnetic Design for Joysticks. 3D Magnetic Sensor. Application Note. Rev.1. Infineon, 2016.
• http://www.Infineon.com.

Принцип действия датчиков магнитного поля

Приборов детектирования и измерения параметров магнитного поля достаточно много, отчего они используются во многих сферах как чисто технических, так и бытовых. Эти детекторы используются в системах, связанных с задачами навигации, измерения угла поворота и направления движения, определения координат объекта, распознавания «свой — чужой» и т. д.

Широкая область применения таких датчиков требует использования различных свойств магнитного поля для их реализации. В данной работе рассмотрены принципы работы, которые заложены в датчики магнитного поля:

• использующие эффект Виганда;
• магниторезистивные;
• индукционные;
• работающие на эффекте Холла;

Датчики Виганда

Работа датчика базируется на эффекте, открытом американским ученным Вигандом. Суть эффекта Виганда проявляется в следующем. При внесении ферромагнитной проволоки в магнитное поле, в ней происходит самопроизвольное изменение магнитной поляризации. Это явление наблюдается при выполнении двух условий. Первое – проволока должна иметь специальный химический состав (52% кобальта,10% ванадия — викаллой) и двухслойную структуру (рисунок справа). Второе – напряженность магнитного поля должна быть выше определенного порогового значения – порога зажигания.

Момент изменения поляризации проволоки можно наблюдать с помощью катушки индуктивности, расположенной рядом с проволокой. Индукционный импульс напряжения на ее выводах при этом достигает нескольких вольт. При изменении направления магнитного поля полярность индуктируемых импульсов изменяется. В настоящее время эффект объясняют различной скоростью переориентации элементарных магнитов в магнитомягкой сердцевине и магнитотвердой оболочке проволоки.

Конструкция датчиков Виганда содержит катушку индуктивности и проволоку Виганда. При смене полярицации проволоки, катушка, намотанная на неё, фиксирует это изменение.

Чувствительные элементы Виганда применяются в расходомерах, датчиках скорости, угла поворота и положения. Кроме того, одно из наиболее частых применений этого элемента – системы считывания идентификационных карт, которыми все мы пользуемся ежедневно. При прикладывании намагниченной карты меняется напряженность поля, на что реагирует датчик Виганда.

Магниторезистивные датчики магнитного поля

Магниторезистивные датчики магнитного поля в качестве чувствительного элемента содержат магниторезистор. Принцип действия датчика заключается в эффекте изменения оммического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля. Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах. Изменение их сопротивления может быть на несколько порядков больше чем у металлов.

Физическая суть эффекта заключается в следующем. При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле, на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его. А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.

В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление.

Таким образом, зная величину сопротивления датчика можно судить о количественной характеристике магнитного поля.

Магнитосопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.

Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках — ширина ее должна быть много больше длины. Но такие датчики обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.

С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино. Запитывается датчик путем подключения к выводам расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствии магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление же датчика изменяется — под действием сил Лоренца пути тока искривляются.

Датчики этого типа, благодаря высокой чувствительности, могут измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его направление. Они применяются в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.

Индукционные датчики магнитного поля

Датчики этого типа относятся к генераторному типу датчиков. Конструкции и назначения таких датчиков различна. Они могут использоваться для определения параметров переменных и стационарных магнитных полей. В данном обзоре рассмотрен принцип работы датчика, работающего в постоянном магнитном поле.

Принцип работы индукционных датчиков базируется на способности переменного магнитного поля индуцировать в проводнике электрический ток. При этом ЭДС индукции, появляющаяся в проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через него.

Но в стационарном поле магнитный поток не изменяется. Поэтому для измерения параметров стационарного магнитного поля применяются датчики с катушкой индуктивности, вращающейся с постоянной скоростью. В этом случае магнитный поток будет изменяться с определенной периодичностью. Напряжение на зажимах катушки будет определяться скоростью изменения потока (числом оборотов катушки) и количеством витков катушки.

По известным данным легко вычисляется величина магнитной индукции однородного магнитного поля.

Конструкция датчика показана на рисунке. Он состоит из проводника в качестве которого может выступать катушка индуктивности, расположенной на валу электродвигателя. Съем напряжения с вращающейся катушки осуществляется с помощью щеток. Выходное напряжение на выводах катушки представляет переменное напряжение, величина которого тем больше, чем больше частота вращения катушки индуктивности и чем больше магнитная индукция поля.

Датчики магнитного поля на эффекте Холла

Датчики магнитного поля на эффекте Холла используют явление взаимодействия перемещающихся электрических зарядов с магнитным полем.

Суть эффекта поясняется рисунком. Через полупроводниковую пластину пластину протекает ток от внешнего источника.

Пластина находится в магнитном поле, пронизывающем ее в направлении перпендикулярном движению тока. В магнитном поле под действием силы Лоренца электроны отклоняются от прямолинейного движения. Эта сила сдвигает их в направлении перпендикулярном направлению магнитного поля и направлению тока.

В данном случае у верхнего края пластины электронов будет больше, чем у нижнего, т.е. возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов и обуславливает появление выходного напряжения – напряжения Холла. Напряжение Холла пропорционально току и индукции магнитного поля. При постоянном значении тока через пластину оно определяется только значением индукции магнитного поля (рисунок слева).

Чувствительные элементы для датчиков изготовляются из тонких полупроводниковых пластинок или пленок. Эти элементы наклеиваются или напыляются на подложки и снабжаются выводами для внешних подключений.

Датчики магнитного поля с такими чувствительными элементами отличаются высокой чувствительностью и линейным выходным сигналом. Они широко применяются в системах автоматики, в бытовой технике и системах оптимизации работы различных агрегатов.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже