Jedenaście mitów o czujnikach Halla
YouTube – Maker TutorCzujniki z efektem Halla są wykorzystywane w bardzo wielu aplikacjach. Niemal codziennie można usłyszeć o nowym interesującym zastosowaniu tego typu urządzeń. Wciąż jednak istnieje wiele mitów związanych z ich zastosowaniem, z czego mogą wynikać następnie błędy przy ich wykorzystaniu.
Sensory halotronowe od lat są stosowane w elektronice, przemyśle, motoryzacji i innych dziedzinach jako czujniki zbliżeniowe, czujniki przemieszczenia liniowego lub enkodery obrotowe. Z czasem rosnące wymagania dotyczące wydajności poszczególnych aplikacji skłoniły producentów układów scalonych do zwiększenia dokładności, integracji większej liczby funkcji, zaoferowania dodatkowych opcji detekcji i obniżenia zużycia energii.
Mit 1: Czujniki Halla dostarczają tylko informacji o włączeniu i wyłączeniu
Wiele układów elektromechanicznych wykorzystuje czujnik do wykrywania obiektów. Sygnał logiczny powinien jedynie wskazywać obecność lub brak obiektu. Przykładem może być otwarcie lub zamknięcie laptopa, powodujące włączenie i wyłączenie urządzenia, lub sygnalizowanie próby włamania przez otwarcie drzwi lub okna. W rzeczywistości aplikacje tego typu wymagają jedynie prostego przełącznika halotronowego z efektem Halla, którego wyjście zmienia stan, gdy wewnętrznie określony próg sygnału na wejściu czujnika zostanie przekroczony lub spadnie poniżej.
Takiego rodzaju przełączniki nie są bynajmniej jedynymi czujnikami hallotronowymi. Bardzo popularne są na przykład elementy samozatrzaskowe i liniowe. W przeciwieństwie do przełącznika –elementy zatrzaskowe stosowane są głównie jako enkodery obrotowe, które zmieniają stan sygnału na wyjściu pod wpływem zmiany polaryzacji pola magnetycznego.
Do precyzyjnego pomiaru przesunięcia lepszym rozwiązaniem są liniowe czujniki hallotronowe, ponieważ potrafią one z większą precyzją określić, gdzie znajduje się obiekt w odniesieniu do czujnika.
Mit 2: Liniowe czujniki Halla są niedokładne
Liniowe czujniki Halla są ekonomicznymi urządzeniami, które dostarczają informacji o działaniu pola magnetycznego. Użytkownicy tych czujników są tego świadomi, często jednak, jeśli cenią sobie wysoką dokładność, korzystają z innych rozwiązań.
Ramiona robotów przemysłowych muszą być np. precyzyjnie pozycjonowane względem właściwego obiektu przeznaczenia. Wymaganą w tym przypadku precyzję można osiągnąć za pomocą bardzo dokładnego liniowego czujnika Halla 3D – TMAG5170. Ponadto wysoka dokładność i niewielki dryft temperaturowy czułości eliminują potrzebę kalibracji systemu.
Mit 3: Czujniki Halla i elementy Halla to jest to samo
Nie jest to prawdą. Elementy Halla są najprostszym elementem generującym napięcie wyjściowe i wymagają dodatkowych obwodów polaryzacji oraz wzmacniacza różnicowego.
Element Halla
Czujnik efektu Halla
Elementy Halla są stosowane w przypadkach, gdzie dokładność nie jest ważna, ale koszt jest najwyższym priorytetem. Wzmacniacz różnicowy położony jest w bliskim sąsiedztwie i minimalizuje sprzężenie zewnętrznych zakłóceń. Elementy Halla wykazują również nieliniową zależność temperaturową, podczas gdy czujniki Halla mają wbudowane obwody kompensacyjne, które zapewniają stabilne pomiary w szerokim zakresie temperatur od -40 do 125°C.
Mit 4: Przełączniki Halla nie są sensownym zamiennikiem kontaktronów
Kontaktrony, czyli czujniki magnetyczne, nadal przeważają w wielu zastosowaniach, np. w drzwiach lub oknach. Główną wadą przekaźników kontaktronowych w systemach alarmowych jest brak możliwości wykrycia prób sabotażu. Dzięki liniowemu czujnikowi hallotronowemu 3D wszystkie kanały niewykorzystywane do aktywnych pomiarów mogą być wykorzystane do wykrywania takich zdarzeń.
Przykładowo drzwi lodówki, w przypadku których ważna jest ich dokładna pozycja, decydująca o włączeniu lub wyłączeniu wewnętrznego światła. Dzięki wąskiej histerezie przełączniki z efektem Halla rozpoznają położenie drzwi podczas otwierania i zamykania. Z kolei wadą kontaktronów jest ich nieprzydatność w powszechnie stosowanych metodach montażu płytek drukowanych. Kontaktrony trzeba wlutować ręcznie, co sprawia, że proces ich montażu jest skomplikowany i kosztowny.
Mit 5: Oszczędność energii nie jest możliwa w przypadku czujników Halla
Niektóre czujniki hallotronowe pobierają prąd o wartości jednocyfrowych miliamperów, co sprawia, że nie nadają się do aplikacji zasilanych z baterii. Jednak dostępne są również czujniki, które obsługują niskie częstotliwości próbkowania, rzędu 5 Hz lub mniej, a zatem pobierają średnio mniej niż 1 µA. Elementy przełączają się między stanem pomiaru o wysokim zużyciu energii a trybem uśpienia o bardzo niskim zużyciu energii. Ogólny pobór mocy jest niski, ponieważ fazy załączenia są znacznie krótsze niż okresy uśpienia.
Mit 6: Czujniki hallotronowe wymagają podłączenia trzech przewodów
Zdecydowana większość dostępnych na rynku czujników Halla ma trzy złącza: VCC (napięcie zasilania), GND (masa) i wyjście. W związku z tym przeważa opinia, że konieczne jest wykonanie połączenia czujnika trzema przewodami. Nie jest to jednak prawda, ponieważ przełącznik Halla z trzema pinami i wyjściem napięciowym typu otwarty dren można podłączyć tylko dwoma przewodami.
Po wykryciu pola magnetycznego przez pin GND przepływa prąd, jeśli natomiast pole nie zostanie wykryte przez pin GND, nie będzie płynął żaden prąd. Do określenia stanu logicznego potrzebny jest rezystor oraz przetwornik analogowo-cyfrowy A/D. Jednak problemem w tej konfiguracji mogą być zakłócenia, które będą generować nieprawidłowe napięcia. Dlatego w celu prawidłowego przesyłania danych, zmniejszenia lub wyeliminowania zniekształceń sygnału używane są czujniki z wyjściami prądowymi.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Mit 7: W przypadku czujników Halla niemożliwe jest dowolne pozycjonowanie magnesu
Położenie magnesu względem czujnika zależy od wielu czynników, z których część jest nierozerwalnie związana z systemem, a inne są dyktowane przez sam czujnik. Do zewnętrznych czynników wpływających na położenie magnesu należą rozmiar i materiał magnesu oraz zakres temperatur pracy. Im większy magnes, tym mocniejsze jest pole magnetyczne. Wśród powszechnie stosowanych typów magnesów, magnesy neodymowo-żelazowo-borowe wytwarzają najsilniejsze pole magnetyczne, dlatego zwykle mają mniejsze wymiary. Przy wyborze magnesu należy również wziąć pod uwagę temperaturę otoczenia, ponieważ wraz z jej wzrostem wytwarzane pole magnetyczne zwykle staje się słabsze.
Najważniejszymi czynnikami związanymi z samym czujnikiem są jego czułość, czułość kierunkowa, konstrukcje obudowy, liczba wbudowanych czujników oraz możliwość konfigurowania. Czujnik Halla o większej czułości może wykrywać magnesy z większej odległości. Większość przełączników i „zatrzasków” z efektem Halla wykrywa pola magnetyczne ustawione prostopadle do powierzchni obudowy, a niektóre z nich wykrywają również poziome pola magnetyczne (w płaszczyźnie detekcji).
Mit 8: Czujniki Halla nie nadają się do pomiaru kąta
Czujniki hallotronowe są stosowane w wielu aplikacjach do pomiaru przemieszczenia linowego, coraz częściej znajdują też zastosowanie przy pomiarach kąta bezwzględnego. Dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu wokół obracającego się magnesu dipolowego dwóch jednoosiowych czujników hallotronowych możliwe jest wykrycie przesuniętych w fazie wektorów pola magnetycznego.
Po otrzymaniu danych, korzystając z funkcji arcus tangens, jesteśmy w stanie obliczyć dokładne położenie kątowe obracającego się magnesu. Inny, bardziej oryginalny sposób pomiaru kąta opiera się na pojedynczym, liniowym czujniku hallotronowym 3D.
Mit 9: Czujniki Halla mają bardzo ograniczony zakres wykrywania
Czasami uważa się, że zasięg detekcji czujników hallotronowych jest niewystarczający do praktycznego wykorzystania, ponieważ pola magnetyczne w naturalny sposób słabną wykładniczo wraz ze wzrostem odległości. Czujniki Halla charakteryzujące się wysoką czułością mogą wykrywać pola magnetyczne z pewnej odległości. Przykładem takiego czujnika może być DRV5032, który wykorzystuje mały, niedrogi magnes ferrytowy (wym. 12 x 12 x 6 mm). Najmniej czuły DR5032ZE może wykryć ten magnes z odległości od 4 do 7,5 mm, natomiast wersja DRV5032FA – od 18,7 do 44,6 mm. W połączeniu z magnesem NdFeB-52 o tej samej wielkości, odległość wzrasta do nieco poniżej 75 mm.
Mit 10: Tylko czujniki TMR umożliwiają pomiary w płaszczyźnie sensora
Konstruktorzy zazwyczaj skupiają się na czujnikach magnetorezystywnych TMR (Tuneling MagnetoResistannce), które charakteryzują się wysoką czułością magnetyczną, wysoką liniowością i niskim zużyciem energii. Ponadto czujniki TMR wykrywają pola magnetyczne w kierunku poziomym (w płaszczyźnie czujnika).
Większość czujników hallotronowych dostępnych na rynku reaguje na pola pionowe, tylko niektóre przełączniki, m.in. TMAG5123 nadają się również do wykrywania pól wzdłuż płaszczyzny czujnika.
Jedną z zalet zastosowania czujników z efektem Halla jest niższy całkowity koszt układu.
Mit 11: Systemy z czujnikami Halla są łatwe do manipulowania
Prawdą jest, że układy z przekaźnikami kontaktronowymi i prostymi przełącznikami z efektem Halla mogą być łatwo manipulowane. Silne zewnętrzne pola magnetyczne są w stanie oszukać system, aby myślał, że wszystko działa prawidłowo.
Skutecznym rozwiązaniem tego problemu są liniowe czujniki hallotronowe 3D. Jedna oś monitoruje obecność właściwego magnesu, podczas gdy zewnętrzne pola magnetyczne są wykrywane za pomocą dwóch pozostałych kanałów. Zastosowanie czujnika liniowego 3D, w którym próg odpowiedzi magnetycznej może być ustawiony indywidualnie dla każdego kanału, daje większą elastyczność przy określaniu właściwego progu, powyżej którego wykrywane będą próby manipulacji.
Autor: Manny Soltero
