1. ефект Холла
2. Сімейство DRV5000 від Texas Instruments
3. Застосування DRV5000 в пристроях з батарейним харчуванням
4. висновок
5. література
6. LMT01 і LMT70 - нові датчики температури від Texas Instruments
7. Про компанію Texas Instruments

За рахунок поєднання малих розмірів, характеристик і ціни датчики Холла є «робочими конячками» для рішень, де вимагається вимірювання магнітного поля. Компанія Texas Instruments випустила перше покоління мікросхем, побудованих на ефекті Холла.

Датчики і перетворювачі магнітного поля вже не перший рік використовуються в різних електронних пристроях. Інтерес до даного типу датчиків продовжує зростати, що обумовлено рядом факторів, таких як збільшення кількості автомобілів (в тому числі гібридних і електромобілів), зростаюча популярність електронних компасів, що триває попит від виробників комп'ютерів і периферії. Зростає ефективність самих датчиків, поліпшуються їх характеристики. Основними областями застосування є автомобільна промисловість, споживча електроніка, безпека, медицина.

Левова частка датчиків магнітного поля (практично 40% ринку) припадає на автомобільну промисловість. Це пояснюється зростанням вимог безпеки і широким використанням датчиків в системах безпеки автомобіля, таких як ESC (електронна система управління курсовою стійкістю), модуль вимірювання кута повороту керма, модуль вимірювання сили і крутного моменту, ABS. Також окремий сплеск застосування датчиків магнітного поля спостерігається у виробах споживчої електроніки для реалізації електронного компаса. Таке застосування стає популярним, так як розширює можливості системи навігації в споживчих пристроях.

Існують різні типи датчиків вимірювання магнітного поля, що використовують різні фізичні процеси, такі як ефект Холла, магніторезистивний ефект (AMR, GMR), ефект наведеної індукції та інші. У кожного способу є свої плюси і мінуси. Незалежно від типу, всі датчики виконують схожі функції - перетворюють енергію магнітного поля в електричну енергію і надають інформацію у вигляді зміни вихідного напруги або опору датчика.

В останні десятиліття особливою популярністю користуються бюджетні високоякісні датчики, які використовують для своєї роботи ефект Холла або магніторезистивний ефект. Основна відмінність між цими двома типами датчиків полягає в тому, що магніторезистивні датчики мають дуже високу чутливість, тоді як датчики Холла мають більш лінійної вихідний характеристикою. Хоча на сьогоднішній день датчики Холла займають більше 70% ринку датчиків магнітного поля, нові типи датчиків c застосуванням різних фізичних ефектів не припиняють з'являтися. Приклад - датчики із застосуванням ефекту тунельного магнітного опору (TMR) і надпровідні квантові інтерферометри (SQUID).

ефект Холла

Ефект Холла названий на честь свого першовідкривача - Едвіна Холла. Незважаючи на те, що сам ефект був відкритий в 1879 році, широке використання датчиків на його основі стало можливим з появою інтегральних мікросхем. Суть ефекту полягає в виникненні різниці потенціалів (напруги Холла) перпендикулярно прикладеному магнітному полю і напрямку струму, що протікає (рисунок 1). І хоча в більшості випадків звичайні датчики Холла використовуються як датчики присутності і розташування, вони також застосовуються для визначення швидкості, прискорення, і можуть бути застосовані для оцінки сили струму.

Мал. 1. Принцип виникнення ефекту Холла

Серед причин широкої популярності інтегрованих датчиків Холла можна виділити наступні:

• ефект Холла не схильний до впливу пилу бруду, потоку, радіоперешкод;
• він незмінний в широкому діапазоні температур;
• інтегральні мікросхеми, крім перетворювача, містять додаткові блоки для попередньої обробки сигналу і захисту;
• забезпечують високу ступінь повторюваності вимірювання магнітного поля;
• безконтактне застосування.

Датчик Холла є власне елемент Холла і інтегровану електронну схему, що забезпечує попередню обробку вихідного сигналу преобразовательного елемента і захист від зовнішніх електричних впливів. Малі розміри датчиків Холла в поєднанні з їх характеристиками і ціною дозволяють використовувати їх для таких застосувань, як безконтактні вимикачі, безконтактні датчики, безконтактне вимірювання струму в провідниках, управління двигунами тощо. За рахунок своєї підвищеної надійності і малого впливу зовнішніх впливів на функціонал датчики Холла можна використовувати замість механічних реле (герконів), оптичних і індуктивних датчиків.

Сімейство DRV5000 від Texas Instruments

На сьогоднішній день в сімействі датчиків Холла виробництва компанії Texas Instruments представлені чотири датчика: DRV5013 , DRV5023 , DRV5033 і DRV5053 . Три з них є датчиками з цифровим виходом (DRV5013, DRV5023, DRV5033) і один - з аналоговим (DRV5053). Представлені датчики є першим поколінням в лінійці датчиків магнітного поля Texas Instruments і призначені для визначення місця розташування, управління двигунами (положення, робота, швидкість, прискорення) і так далі. Всі мікросхеми мають кілька варіантів виконання: з різною чутливістю, в двох варіантах корпусу (SOT23 і TO-92) і двох температурних виконаннях (-40 ... 125 ° С і -40 ... 150 ° С). Надалі лінійка буде розширюватися.

Незалежно від виконання для всіх датчиків сімейства DRV5000 характерні наступні загальні характеристики:

• компенсація зсуву і дрейфу напруги вбудованим модулятором;
• вихід з відкритим стоком (для мікросхем з цифровим виходом);
• широкий діапазон робочих напруг харчування: 2,5 ... 38 В;
• швидкий час включення: 35 мкс;
• формування імпульсу готовності на виході при включенні харчування;
• швидкий час перемикання: 13 мкс;
• захист від неправильної полярності напруги живлення: до -22 В);
• захист по виходу від короткого замикання на землю.

Варто звернути увагу на внутрішню структуру датчиків (малюнок 2). Всі датчики містять внутрішній регулятор напруги, який дозволяє використовувати датчики без додаткового стабілізатора напруги, якщо напруга живлення не перевищує 38 В. Крім того, регулятор напруги забезпечує додатковий захист від коротких викидів при знятті навантаження. При коротких викидах, що не перевищують 40 В, мікросхеми можуть використовуватися без будь-якої додаткової захисту. Якщо ж в системі очікуються викиди понад 40 В, наприклад, в бортовій мережі автомобіля, де вони можуть бути більш 60 В, додатковий захист все ж знадобиться. Найпростішим варіантом в даному випадку буде використання струмообмежувального резистора.

а)

б)

Мал. 2. Внутрішня структура датчиків сімейства DRV 5000: а) DRV5013 / 5023/5033; б) DRV5053

При реалізації лінійки DRV5000 інженери TI не обійшли увагою і захист від «переполюсовкі» харчування. При подачі негативної напруги харчування до -22 В датчики не постраждають, хоча і працювати при такій напрузі теж не будуть. Щоб відновити функціональність датчиків досить подати напруга живлення правильної полярності.

Ще один рівень захисту, реалізований в датчиках, - це інтегрована схема обмеження вихідного струму. Для запобігання виходу мікросхеми з ладу при короткому замиканні реалізована спеціальна схема обмеження струму, поріг спрацьовування якої дорівнює 30 мА для DRV5013, DRV5023, DRV5033 і 2,3 мА для DRV5053. Схема обмеження по струму працює, поки зберігаються умови для протікання підвищеного струму. Мікросхема перейде в робочий режим при усуненні зовнішніх факторів.

Узагальнені дані про різні режими захисту наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Різні режими захисту

Аварія Умова Стан Опис Восcтановленіе Перевантаження FET (ВСР) ISINK ≥ IOCP Робоча Вихідний струм обмежений значенням IOCP IO <IOCP Викид напруги 38 В <VCC <40 В Робоча Пристрій працює при наявності викиду VCC ≤ 38 В Зворотній полярність -22 В <VCC <0 У Відключений Пристрій переживе такий стан VCC ≥ 2,5 В

Щоб отримати виняткові характеристики, в датчиках DRV5000 використовуються додаткові блоки. Схеми компенсації температури і напруги зсуву допомагають добитися високої точності і температурної стабільності чутливості.

Завдання схеми компенсації напруги зміщення (рисунок 3) - виключити постійну напругу зміщення і його дрейф по температурі, тим самим забравши можливі помилки виміру. Принцип роботи схеми компенсації полягає в чергуванні точок підключення впливає струму і місця вимірювання холлівських напруги. Частота перемикання складає близько 125 кГц, що в кілька разів перевищує робочу смугу датчика і не впливає на його характеристики. Використання даної схеми дозволяє виміряти малі сигнали на виході елемента Холла, а також зменшує складову шуму на низьких частотах.

Мал. 3. Принцип роботи схеми компенсації напруги зміщення

Наявність схеми температурної компенсації, дозволяє досягти температурної стабільності чутливості не гірше 10% в діапазоні температур (рисунок 4).

Мал. 4. Температурна залежність чутливості DRV5013

Всі мікросхеми сімейства DRV5000 мають однакове розташування висновків, яке збігається з більшістю мікросхем, присутніх на ринку, що полегшує процес вибору рішення на ранніх етапах розробки. Однак при розробці плати слід враховувати різницю в реалізації вихідного каскаду у цифрових (DRV5013 / 23/33) і аналогових (DRV5053) датчиків, і необхідність використання або підтягує резистора, або резистора ФНЧ (малюнок 5).

а)

б)

Мал. 5. Схема включення: а) DRV5013 / 23/33; б) DRV5053

Незважаючи на безліч загальних особливостей у мікросхем сімейства, основна відмінність між ними полягає в вихідному відгуку на зміну магнітного поля.

Таким чином, щоб перевести цифровий тригер DRV5013 в стан з низьким рівнем вихідної напруги, необхідно, щоб поле, створюване південним магнітним полюсом біля маркованої боку корпусу, перевищило рівень спрацьовування. Заданий стан буде підтримуватися, поки не буде докладено магнітне поле зворотної полярності, що перевищує поріг спрацьовування. Така залежність може бути використана для управління BLDC з вбудованим датчиком визначення швидкості обертання (RPM) за рахунок визначення зміни магнітного поля.

Мікросхеми DRV5023 і DRV5033 є магнітними ключами, в яких стан з низьким рівнем вихідної напруги залишається, тільки коли є магнітне поле. При цьому DRV5023 реагує тільки на присутність південного полюса, тоді як на DRV5033 може впливати як південний, так і північний полюси. Такі характеристики добре підходять для рішень, де необхідно детектувати присутність, наприклад, для датчика відкриття дверей.

У DRV5053 вихідна напруга лінійно змінюється в залежності від зовнішнього магнітного поля в діапазоні 0 ... 2 В. Відсутності магнітного поля відповідає вихідна напруга 1 В. Такий відгук буде корисний там, де є необхідність вимірювання відносного розташування або оцінки сили струму.

а)

б)

в)

г)

Мал. 6. Залежність вихідної напруги від впливу магнітного поля для:
а) DRV5013; б) DRV5023; в) DRV5033; г) DRV5053

При використанні датчиків магнітного поля з цифровим виходом слід враховувати, що якщо в момент подачі напруги харчування напруженість магнітного поля буде перебувати між граничними порогами спрацьовування, то вихід буде знаходитись в невизначеному становищі: або в високоімпедансних стані, або в стані з низьким вихідним рівнем. Для того щоб пристрій функціонував нормально, необхідно, щоб величина магнітного поля перевищувала задані пороги.

Застосування DRV5000 в пристроях з батарейним харчуванням

Використовуючи датчики Холла з малопотребляющімі микроконтроллерами, можна, завдяки поєднанню програмних і апаратних можливостей, реалізувати інтелектуальні датчики на батарейках. Приклад такої реалізації передбачає підключення датчика Холла безпосередньо до висновків мікроконтролера і його періодичне включення для проведення вимірювань (малюнок 7). Такий режим дозволяє істотно зменшити навантаження на батарею. Мета даного рішення - зменшити середній струм споживання за рахунок зменшення часу активності самого датчика. Чим довше час неактивності датчика, тим менше середній струм схеми.

Мал. 7. Інтелектуальний датчик Холла з наднизьким споживанням

Використання мікросхем сімейства DRV5000 є хорошим вибором, так як сама мікросхема має низьке споживання (2,7 мА), не вимагає додаткового стабілізатора, а також забезпечує швидке час включення (35 мкс). І хоча в наведеному прикладі показаний варіант рішення із застосуванням DRV5023, що дозволяє детектувати тільки наявність південного магнітного полюса, замість неї можна використовувати DRV5033, детектирующего наявність як південного, так і північного полюсів, що розширює діапазон застосування схеми.

висновок

Простота і надійність використання датчиків Холла дозволять використовувати їх для рішень, де раніше використовувалися механічні або оптичні системи. А поєднання малих розмірів з низькою вартістю роблять їх «робочими конячками» в світі датчиків. Нові мікросхеми Texas Instruments дозволяють реалізувати весь спектр рішень із застосуванням магнітних датчиків (від найпростіших датчиків присутності і розташування до систем управління двигунами) для виробів, де важливо забезпечити надійну роботу системи в умовах екстремальних температур, підвищеного забруднення, радіоперешкод, пилу, бруду, РЧ шуму або механічних пошкоджень.

література

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

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

LMT01 і LMT70 - нові датчики температури від Texas Instruments

Компанія Texas Instruments представила новий цифровий датчик температури LMT01 з роздільною здатністю вище 0,1 ° С, що працює по двухпроводной лінії. Результат видається у вигляді кількості імпульсів, яке прямо пропорційно вимірюваної температурі. Імпульси результату йдуть за тими ж лініями, що й харчування датчика. Такий метод не потребує формування точних затримок і істотно спрощує програму мікроконтролера - достатньо подати харчування на LMT01 і потім підрахувати число надійшли імпульсів. Залежно від температури, LMT01 видає від 26 (при температурі -50 ° С) до 3218 імпульсів (при 150 ° С). Значення кожного імпульсу становить 0,0625 ° С. Імпульси можуть бути підраховані різними способами: програмно, в перериванні від зміни сигналу на порту або за допомогою таймера в режимі лічильника. Завдяки цифровому характеру вимірювання, LMT01 не чутливий до наведенням і може бути винесений на відстань до 2 м від пристрою. За виконання LMT01 близький до популярного датчику DS18B20 , Однак перевершує його по простоті управління, точності, мінімізації споживаного струму і швидкості перетворення.

Новий аналоговий датчик LMT70AYFQT виробництва компанії Texas Instruments відрізняється підвищеною точністю - до ± 0,05 ° C, - і має лінійну передавальний характеристику -5,19 мВ / ° C. Залежно від температури навколишнього середовища датчик видає постійну напругу в діапазоні від 1,375 В (при температурі -55 ° С) до 0,302 В (при 140 ° С). Напруга живлення LMT70 може перебувати в межах 2,0 ... 5,5 В, що дозволяє легко підключати його до будь-якого типу мікроконтролерів або до окремого зовнішнього АЦП. Власне споживання не перевищує 12 мкА, що дозволяє використовувати цей датчик в пристрої з живленням від дискових елементів малої місткості. Датчик LMT70 має низький розкид параметрів: показання двох датчиків з однієї упаковки при температурі 30 ° С не будуть відрізнятися більш ніж на 0,1 ° С.

Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі