Jste zde

Mag. senzory s Hallovým efektem - 3. senzory s analog. výstupem

V předchozím 1. a 2. díle seriálu o Hallových senzorech bylo možné se seznámit se základním principem funkce Hallova jevu a jeho možným nasazením v praktických aplikacích. Konečně tak přišlo na řadu ukázat některá reálná provedení integrovaných senzorů nabízené různými výrobci (Analog Devices, Honeywell, Infineon, Sentron atd.). V tomto článku jsem se pak konkrétně zaměřil na ty s analogovým výstupem, ať již bipolární či unipolární, jednoduché 3vodičové či složitější programovatelné.

Malinké Hallovy senzory Honeywell SS49x s analog. výstupem

Společnost Honeywell je tradičním výrobcem Hallových senzorů a v její nabídce lze nalézt široký výběr pro všechny více či méně běžné aplikace. Samozřejmostí jsou tedy i senzory s analogovým výstupem. Například jako jejich typického zástupce lze vybrat řadu SS490, což jsou malinké 3vývodové Hallovy senzory s měřícím rozsahem +/- 670 G (senzory SS495) a +/- 870 G (senzory SS496) a s lineárním analogovým radiometrickým výstupem tvořeným dvěma tranzistory (PNP a PNP). Jejich výhodou je přesnost a jednoduchost použití, kdy prakticky jde pouze o připojení dvou vodičů stejnosměrného napájení v rozsahu 4.5 - 10.5 V a připojit vodič na vývod output. Signálové napětí je vztaženo k záporné svorce napájení. Vysoké přesnosti nastavení offsetu 2.5 V, i citlivosti 3.125 a. 2.5 mV / G (lepší než 3 %), je dosaženo laserovým doobráběním na každém chipu vyleptaných kompenzačních rezistorů.

 

Základní vlastnosti:

  • Měřící rozsah: +/- 670 Gauss (senzory SS495) a +/- 870 Gauss (senzory SS496)
  • Citlivost: 3.125 mV / G (senzory SS495) a 2.5 mV / G (senzory SS496)
  • Přesnost: 3 % offsetu i citlivosti (provedeno laserem)
  • Kompenzace: vlivu teploty
  • Výstup:
    • lineární radiometrický napěťový rail-to-rail (0.2 až napájecí napětí - 0.2 V)
    • napěťový offset: 2.5 V
    • linearita: 1 %
    • ochrana proti zkratu
  • Napájecí napětí: 4.5 - 10.5 V, ochrana proti přepětí a přepólování
  • Spotřeba: 7 mA při napájení 5.0 V
  • Pracovní teplotní rozsah: -40 °C až 150 °C
  • Pouzdro: 3vývodové pouzdro rozměrů 4.6 x 1.6 mm
  • Bližší informace v datasheetu: SS490.pdf

 

 

1D a 2D Hallův senzor Melexis MLX90251 a MLX 90277

Integrovaný CMOS obvod MLX90251 je programovatelný radiometrický lineární Hallův senzor s lineárním výstupem úměrným hustotě magnetického toku a velikosti napájecího napětí. Programovatelnost spočívá v digitálním nastavení napěťového offsetu VOQ (výstupního napětí při mag. poli 0 G), citlivost, polaritu změny výstupu, omezení výstupního signálu při limitaci, teplotní drift citlivosti, parametry filtru dolní propust. Dále senzor poskytuje velkou teplotní stabilitu citlivosti i VOQ přes celý pracovní teplotní rozsah, který může být -40 až 150°C. Pro sledovací účely je každý obvod vybaven unikátním identifikačním číslem ID a vyhrazeným 24bitovým registrem v EEPROM paměti pro uživatelem naprogramované sériové číslo. Součástí senzoru je i speciální obvod pro aktivní korekci chyby offsetu. Z pohledu vnitřní analogově-digitální struktury je programování obvodu a nastavení vnitřních analogových obvodů realizováno vnitřní EEPROM, vnitřní logikou (programem) a několika D/A převodníky, které převádějí digitální nastavené hodnoty v registrech na analogové regulační signály. Programování se provádí dle speciálního Melexis tri-level PTC protokolu prostřednictvím jednovodičové sériové sběrnice připojené na vývod OUT a přivedením ss napětí 9 V na napájecí svorky místo jmenovitých 5 V.

Integrovaný senzor MLX90277 pak prakticky představuje umístění dvou struktur MLX90251 do jednoho 8vývodového pouzdra SOIC, kde 4 a 4 vývody odpovídají původním 4 vývodům pouzdra SIP.


 
 

Zjednodušené blokové schéma digitálně-analogové struktury programovatelného Hallova senzoru MLX90251

Posloupnost bloků zpracovávající signál uvnitř Hallova senzoru MLX90251 s příslušnými registry, které určují nastavení příslušného bloku

Základní vlastnosti:

  • Měřící rozsah: 6 až 800 mT (v závislosti na nastavené citlivosti v EEPROM)
  • Citlivost: 2.6 mV/mT až 210 mV/mT (dig. nastavitelné v EEPROM)
  • Kompenzace: vlivu teploty 0 až 2300 ppm/°C (dig. nastavitelné v EEPROM)
  • Programovatelné parametry:
    • měřící rozsah a citlivost (zisk)
    • napětí při nulovém mag. poli (offset)
    • limitace napětí
    • kompenzaci teplotní driftu
    • parametry protišumového filtru
  • Výstup:
    • lineární radiometrický napěťový rail-to-rail (0 až 100 % napájení)
    • limitace napětí
    • externě laditelné napětí při nulovém mag. poli (offset) v rozsahu 5.0 až 95 % napájecího napětí
    • ochrana proti zkratu
    • volba unipolárního nebo bipolárního výstupu
  • Diagnostika přerušení vodičů
  • Programování po jednovodič. sériové sběrnici dle protokolu Melexis
  • Napájecí napětí: 4.5 - 5.5 V, ochrana proti přepětí a přepólování
  • Spotřeba: typ. 7 mA (MLX90251)
  • Pracovní teplotní rozsah: -40 °C až 85°C nebo 150 °C
  • Pouzdro:
    • 4vývodové SIP nebo TSSOP14 (MLX90251)
    • tenké 8vývodové SOIC (obvod MLX90277)
  • Bližší informace v datasheetu: MLX90251.pdf

 

Zapojení duálního Hallova senzoru MLX90277 (vlevo) a jedno z možných použití - elektronický pedál Drive-by-Wire (vpravo)

Příklad typických připojení Hallova senzoru MLX90251 k A/D převodníku mikrokontroléru

 

Programovatelný Hallův senzor TLE4990 s analog. výstupem

Jednou programovatelný lineární integrovaný Hallův senzor TLE4990 společnosti Infineon byl primárně navržen pro požadavky přesného měření a detekce otáčení a pohybu. Stejně tak lze dobře využít pro jiné aplikace vyžadující měření a detekci magnetického pole. Senzor obsahuje radiometrický analogový napěťový rail-to-rail výstup typu push-pull. Kombinace digitálních a analogových obvodů, kterou systém obsahuje kvůli programovatelnosti požadovaných parametrů, vyžaduje na chipu použít technologii BiCMOS.

Základem je Hallův element (Chopped Hall Probe) jehož napětí úměrné magnetickému poli je vzorkováno v rytmu taktu vnitřních hodin (Modulator a Demodulator). Jednotlivé vzorky jsou pak zesilovány zesilovačem (Gain) a spojovány a filtrovány (Sample&Hold) do výstupního kontinuálního analogového signálu. Takto vytvořená struktura umožňuje i při jednoduché konstrukci začlenit digitální programování do jinak analogového zpracování napěťového signálu. Výsledné požadované parametry a vlastnosti senzoru, jakými je výstupní napěťový offset, zisk (citlivost), linearizaci Hallova snímače, povolení limitace výstupního signálu nebo unipolárního či binárního výstupu, se nastavují pomocí jednou programovatelné OTPROM paměti tvořené zkratovacími propojkami. Ty se při programování zkratují a tak na trvalo definují vlastnosti konkrétního senzoru. Pouze teplotní kompenzace se zjišťuje a provádí již při výrobě.

 

U Hallových senzorů TLE4990 lze zvolit "sklon" výstupní lineární závislost - tj. při růstu indukce magnet. pole může výstupní napětí růst nebo klesat

Bloková struktura zapojení Hallova senzoru TLE4990

Základní vlastnosti:

  • Měřící rozsah: -200 mT až +200 mT nebo 0 až 400 mT
  • Citlivost: 50 až 180 mV / mT
  • Kompenzace: vlivu teploty
  • Programovatelné parametry:
    • měřící rozsah a citlivost (zisk)
    • napětí při nulovém mag. poli (offset): 40 až 60% napájecího napětí
    • limitace napětí
    • zámek paměti
    • teplotní koeficient (zjištěný během výroby)
  • Výstup:
    • lineární radiometrický napěťový rail-to-rail (3 až 97% Unap, nebo 10 až 90% při povolené limitaci)
    • ochrana proti zkratu
    • volba unipolárního nebo bipolárního výstupu
  • Diagnostika připojených vodičů - funkce OBD (On Board Diagnostics)
  • Individuální programování a provoz více senzorů připojené na společné napájení
  • Napájecí napětí: 4.5 - 5.5 V, ochrana proti přepětí a přepólování
  • Pracovní teplotní rozsah: -40 °C až 150 °C
  • Pouzdro: tenké 4vývodové PG-SSO-4-1
  • Bližší informace v datasheetu: TLE4990.pdf

 

Senzor TLE4990 umožňuje zvolit bipolární (vlevo) či unipolární výstup (vpravo) a tak zajistit měření či detekci směru magnetického pole

 

Jednoduchý nastavitelný Hallův senzor AD22151 s analog. výstupem

Obvod označený jako AD22151 je lineární křemíkový Hallův senzor s analogovým výstupem úměrný úrovni magnetického pole. Celá struktura umístěná na jednom chipu a napájená jmenovitým stejnosměrným napětím 5 V minimalizuje vliv negativních okolních vlivů, jako například teploty, která má vliv jak na samotnou převodní funkci Hallova elementu, tak i na offset senzoru (výstupní napětí při nulovém magnet. poli). Navíc obvod obsahuje automatickou dynamickou eliminaci teplotního driftu vestavěným křemíkovým teplotním snímačem. Hlavní parametry (citlivost (zisk), napěťový offset, teplotní kompenzace) se pak nastavuje připojením vhodných externích rezistorů R1, R2, R3 a R4. Ty pak představují spolu s filtračním kondenzátorem napájení jediné vnější součástky, které je nutné k obvodu připojit.

Základní vlastnosti:

  • Měřící rozsah: závislý na nastavené citlivosti (převodní konstantě) a napájecím napětím
  • Umístění Hallova elementu: uprostřed senzoru
  • Citlivost: 0.4 mV/Gauss (externě laditelná až na 6 mV/G dle připojeného poměru R3/R2)
  • Kompenzace: vlivu teploty nastavením parametrů filtru externím rezistorem
  • Výstup:
    • lineární radiometrický napěťový rail-to-rail (10 až 90 % napájení)
    • limitace napětí
    • externě laditelné napětí při nulovém mag. poli (offset) v rozsahu 5.0 až 95 % napájecího napětí
    • ochrana proti zkratu
    • volba unipolárního nebo bipolárního výstupu
  • Napájecí napětí: 4.5 - 6.0 V, ochrana proti přepětí a přepólování
  • Pracovní teplotní rozsah: -40 °C až 150 °C
  • Pouzdro: tenké 8vývodové SOIC
  • Bližší informace v datasheetu: AD22151.pdf
 

 

Příklady zapojení Hallova senzoru AD22151 - s bipolárním výstupem (vlevo) a s unipolárním výstupem (vpravo) - odpory R2, R3 a R4 také určují nastavení vlastností senzoru

 

2D Hallův senzor s analog. výstupem - Sentron 2SA-10

Součástka 2SA-10 firmy Sentron je zajímavým integrovaným Hallovým senzorem s diferenciálním analogovým výstupem měřící indukci magnetického pole ve dvou směrech (2D), tedy v ose X (Bx) a Y (By). To je realizováno použitím dvou stejných Hallových elementů vzájemně pootočených o 90°. V obou směrech lze tedy využít měřící rozsah +/- 45 miliTesla, která je s citlivostí 50 V / T převáděna na výstupné napětí. Změna napětí je lineární v rozsahu +/- 40 mT. Obvod "zabalený" v 8vývodovém pouzdře SOIC musí být napájený napětí okolo 5 V DC. Programovací vývody PC, PD a PV neslouží pro uživatelské programování, ale jen pro přesné nastavení a kontrole senzoru u výrobce po výrobě.

 

Základní vlastnosti:

  • 2D senzor magnetického pole (osa X a osa Y)
  • Měřící rozsah: -45 mT až +45 mT (lineární výstup v rozsahu -40 mT až +40  mT)
  • Citlivost: typ. 50 V / T
  • Kompenzace: vlivu teploty
  • Programovatelné parametry:
    • měřící rozsah a citlivost (zisk)
    • napětí při nulovém mag. poli (offset)
    • limitace napětí
  • Výstup:
    • lineární radiometrický napěťový rail-to-rail (5 až 95% napájecího napětí)
    • napěťový offset typ. 1/2 napájecího napětí
    • ochrana proti zkratu
  • Napájecí napětí: 4.5 - 5.5 V, ochrana proti přepětí a přepólování
  • Pracovní teplotní rozsah: -40 °C až 150 °C
  • Pouzdro: tenké 8vývodové SOIC
  • Bližší informace v datasheetu: 2SA-10.pdf

 

Příklady použití Hallova senzoru Sentron 2SA-10 a závislost výstupů na vzdálenosti či úhlu natočení magnetu

 

Závěr

Tímto článkem jsem se pokusil nastínit některé typy běžně nabízených i zajímavých integrovaných senzorů s Hallovým efektem s analogovým výstupem. Jde o opravdu malinkatý vzorek toho, co je dostupné na českém či evropském trhu, protože je tento druh senzorů celkem populární a často využívaný, lze jich nalézt v nabídkách různých firem velké množství, často optimalizované svými vlastnostmi na určité aplikace. Proto případné zájemce o bližší informace odkazuji na níže uvedené stránky výrobců.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: