将霍尔效应磁感应技术融入现代家电

将霍尔效应磁感应技术融入现代家电

作者 Monica Thomas 和 Michael Doogue,Allegro MicroSystems, LLC,马塞诸塞州伍斯特市美国

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目前用于位置、速度和电流感测的解决方案有很多,因此设计人员能选择最适用的技术和封装,以实现各自的商业和工程目标。在选择适用的感测技术时,必须考虑应用的具体要求,这些要求也是任何感应技术的关键要素:成本、行程、分辨率、精度、可靠性和耐久性。作为其中一种可能的解决方案,霍尔效应技术可通过非接触式磁感应提供独一无二的价值。

图 1

图 1:霍尔效应是指在外加电流受垂直磁场影响时存在可测量的电压。

介绍

随着技术的进步,霍尔效应传感器 IC 已在许多现代家电中广泛应用。霍尔效应是指通过导体的电流受磁场(参阅图 1)影响时,出现的穿过导电材料(例如硅 (Si))的可测量电压。在这种条件下,由于洛伦兹力和电磁力之间的平衡作用,会产生一个与外加电流垂直的横向电压。

与传统的机械和簧片器件相比,霍尔效应传感器 IC 有许多优势。通过消除机械磨损和机械疲劳,霍尔效应传感器 IC 的非接触应用能有效提高可靠性和耐久性。这些器件还能检测被有色金属材料阻隔的磁场。小型、轻量的封装尺寸能减少应用空间和机械复杂性。许多传感器 IC 都具有用户可编程功能,以满足自定义运行和精度的要求。

背景

有多种不同类型的霍尔效应器件能满足各类应用需求:开关、线性传感器、速度/方向 IC 和电流传感器 IC,这只是其中几个例子。

开关与线性传感器

开关能根据特定器件的磁场工作点 (BOP) 和释放点 (BRP) 产生数字输出。线性传感器能产生与外加磁场成正比的模拟或脉宽调制 (PWM) 输出。

在开关和线性传感器应用中,有多种可能的磁体配置可用于器件的启动。例如,“迎面式”工作模式是指将磁体垂直移向霍尔器件的有效面,如图 2 所示。

图 2

图 2.迎面式启动。TEAG 是指有效总气隙。



另外,“侧滑式”工作模式是指将磁体平行移向霍尔器件的有效面(参阅图 3)。由于磁体的行程更小,所以侧滑工作模式比迎面工作模式的感应精度高。磁极之间的大磁场斜率能确保取得非常精确的开关点位置。但侧滑工作模式还需要使用强磁体和较小的有效总气隙 (TEAG)。

图 3

图 3.侧滑式启动。TEAG 是指有效总气隙。



启动霍尔器件的另一种方法是叶片断续器开关。叶片是一种外部具有独特凹口的铁磁材料。叶片的外形可以定制,以确保进行线性或旋转运动。利用叶片断续器开关,将磁体和霍尔器件固定在静止位置,这样触发磁体就会使霍尔器件进入“开启”状态。当叶片的铁类金属材料通过霍尔器件和触发磁体之间时,叶片会形成一个磁分路,从而使磁场从霍尔器件转向。叶片断续器技术经常用于需要精确开关的操作(参阅图 4)。

图 4

图 4.叶片断续器开关的霍尔器件启动。



速度与方向 IC

叶片断续器的另一种应用形式是采用特制的反向偏压霍尔效应器件(参阅图 5)。反向偏压器件可用于接近开关或齿轮齿的速度与角度感测。采用这些器件时,可在单独的封装内集成一个稀土球和霍尔传感器,从而能减少定位和校准的麻烦。反向偏压传感器 IC 通常处于“关闭”状态。当铁类金属材料通过封装的正面时,磁场会穿过霍尔器件的有效面,从而可激活 IC。

图 5

图 5.齿轮齿霍尔器件启动。



电流传感器 IC

霍尔效应的另一个用途是感测通过线圈或导体的电流。对于最大 20 A 的弱电流,可在标准的 SOIC-8 表面贴装封装内将霍尔芯片和主电流通路集成在一起(参阅图 6)。采用倒装芯片技术可确保在霍尔元件的有效面与感测电流产生的磁场之间存在最佳的磁耦合。这种封装技术无需使用通量集中器。用于电流检测的典型铜制路径内阻是 1.5 mΩ,功率耗损很小。

图 6

图 6.采用 SOIC-8 封装的电流传感器霍尔器件。



对于最大 200 A 的强电流,必须增大铜线的尺寸,以满足材料内的电流密度的要求。由于此较厚导体与线性霍尔元件之间存在磁耦合,因此必须使用磁通集中器(参阅图 7)。典型主导体电阻最低可达到 100μΩ。

图 7

图 7.用于强电流 (> 200 A) 应用的电流传感器 IC 器件。



与其他电流感测技术相比,霍尔效应器件具有明显的优势,因为电流感测通路与低压信号输入/输出实现了完全的电隔离。

应用实例

霍尔技术能在许多应用中代替传统的感测技术,包括门开关、旋钮位置、转鼓速度、水位测量和电机控制。应根据所需的精度和控制水平选择适用的霍尔器件。本文提供的实例为您介绍了如何在现代家电中应用霍尔技术。

旋钮位置

霍尔效应传感器 IC 能以非接触方式确定一种家电的旋钮位置。目前有多种技术可用于确定旋钮位置。例如,如果应用需要有限和离散的旋钮位置,可使用简单的开关,如 A1120 或 A321x。应用中的每个开关都代表旋钮周围一个独有的位置标记。当依附于调节旋钮的磁体位于其中一个固定开关的上方时,简单的电子逻辑能确定已选择的控制水平。

对于高精度应用,可同时使用线性传感器和微处理器。当旋钮转动时,线性传感器能根据霍尔元件产生磁场的衰减,提供旋钮的绝对模拟位置,同时,微处理器内的查找表可解释磁体的位置。应根据应用所需的精度,选择适用的线性传感器。可选用的传感器包括 A132x 或可编程的 A138x。

图 8 显示了旋钮位置的开关和线性传感器产生的不同输出电压。

图 8

图 8.与旋钮位置对应的霍尔效应开关和线性传感器的对比。



液面检测

开关与线性传感器还能用于监测液位,如在洗衣机或洗碗机内。可测量液位的简单技术是采用多个霍尔开关和悬浮在浮子内的磁体。当浮子在管内上升时,它会触发管套外部的离散开关,然后会以数字形式显示液位(参阅图 9)。A1120 是适合此类应用的开关。

图 9

图 9.采用磁浮子和开关的液位感测技术。



霍尔技术还能用于改进,而非取代传统的液位测量技术。例如,目前用于确定转鼓何时会满的方法是,将塑料隔膜展开,以推动机械开关。可代替机械开关组件的另一种方法是,在隔膜内植入一个磁体,然后使霍尔开关悬浮于磁体上方,以采用迎面式工作配置(参阅图 10)。使用线性传感器代替开关,可取得分辨率更高的测量值。线性传感器能确定水箱内的绝对液位,而不仅仅是显示水箱何时会满。根据所需的精度,可选用表面贴装的线性传感器件,如 A132x 或可编程的 A138x。在此类应用中,与机械凸轮开关相比,霍尔效应开关具有可靠、耐用、简单、尺寸小和重量轻的优势。

图 10

图 10.采用充气隔膜的液位感测技术。



转鼓检测

霍尔效应传感器 IC 能满足各种转鼓感测的需要,如速度、方向和皮带断裂检测。

将磁体装到转鼓上,再使用固定的霍尔开关,就能制造简单的旋转指示器。每当转鼓完整旋转一次后,开关就会发送一个数字脉冲。该信号可用于指示转鼓是否在旋转,微处理器还能用它计算速度。如果需要提高转鼓位置的精度,可使用差分霍尔效应传感器(如 A3425)和齿轮结构,如图 5 所示。更精密的反向偏压霍尔效应传感器(如 A3423)能提供转鼓速度信息并进行方向检测。

除感测转鼓的位置、速度和方向外,还能检测皮带断裂故障。例如,如果烘干机的皮带断裂时,烘干机内的加热元件未关闭,那烘干机停转可能导致衣服着火。图 11 显示了可检测断裂皮带的电路,它采用了一个装有磁体的转鼓和一个固定霍尔开关。在该电路中,中央节点会以 R1C1 对确定的速度充电。当磁体经过霍尔开关时,IC VOUT 信号会经过高-低-高转换。VOUT 信号的上升沿会暂时打开晶体管 Q1,使中央节点放电。断裂的皮带会使转鼓停止旋转,以防止出现上升沿转换。这能确保中央节点自由充电。当中央节点达到启动复合晶体管对的电压时,电路输出会切换至数字低信号,以显示皮带断裂故障。

图 11

图 11.采用简单霍尔开关的断裂皮带检测电路。



电动机控制

霍尔效应传感器 IC 能以可靠和简单的方式监测电动机的电流,以进行有效的控制和保护。电动机的电流消耗与其产生的转矩成正比。因此,控制电动机的速度和外加力的典型方法是,向微处理器反馈其电流消耗的测量值。然后微处理器会计算是要对电动机施加更多还是更少的电流,以达到所需的转速。霍尔效应传感器 IC 能直接以串联方式与电动机(或任何电感负载)一起放置,因为它们有电阻极低的铜引线框架。

传统的技术会利用在电动机控制组件的接地开关内放置的分流器来感测电动机的电流。利用这种方法,只能监测一半的电动机电流,这会降低精度,并增加 I2R 损耗。霍尔效应传感器 IC 的输入电源与电流通路完全隔离,这能确保提高测量精度,并减小功率测量值。采用 SOIC-8 封装的 Allegro ACS712 适用于较弱的标称电流,采用 CB 封装的 ACS75x 适用于较强的电流感测应用。

微功耗解决方案

由于全社会对环境问题的认识不断深化,因此市场对低能耗家电的需求日益强烈。美国联邦政府的“能源之星”计划的要求一年比一年严格。Allegro MicroSystems 是首家提供微功耗霍尔开关和线性传感器的公司,其目的是帮助制造商降低家电产品的能耗。

321x 系列霍尔开关采用了独特的时钟电路图和 2.75V 的标称工作电压,以确保达到 15μW 的典型功耗。139x 系列线性霍尔器件在主动模式下具有 3 V 的标称工作电压和 10 mW 的功耗。139x 系列霍尔器件还配有睡眠引脚,以确保微控制器关闭器件,并将功耗降至标称 75 μW(参阅图 12)。此外,当 139X 系列霍尔器件处于休眠模式时,器件的输出会转换至高阻抗状态。因此,只要采用轮询机制及时监测单独 A139X 在任意点的输出,就能将多个 139X 线性霍尔传感器 IC 连接到单独的模拟-数字转换器输入端。

图 12

图 12 配有睡眠引脚输入的 3 V A139x 微功耗线性霍尔传感器的示意图



总结

本文介绍的应用只是一些代表性的实例,它们体现了与传统技术相比,霍尔效应技术如何提高现代家电的性能和可靠性。表 1 总结了其他霍尔技术的应用。使用《Allegro 选型指南》可找到符合指定应用需求的适用霍尔器件。

表 1:霍尔效应器件在现代家电中的应用

应用

应用

霍尔器件类型选项

洗碗机

外盖/门开启/关闭

开关

电动机电流

线性传感器;集成电流传感器 IC

转鼓速度/方向

齿轮齿;接近;开关

失衡

线性传感器;开关

液位

线性传感器;开关

周期控制旋钮

线性传感器;开关

流量计

锁存器;双极开关;线性开关

烘干机

外盖/门开启/关闭

开关

电动机电流

线性传感器;集成电流传感器 IC

转鼓速度

齿轮齿;接近;开关

断裂皮带

开关;集成电流传感器 IC

周期控制旋钮

线性传感器;开关

烤箱

烤箱门灯

开关

自清洗门锁/联锁

开关

冰箱

制冰机已满

锁存器;开关

门灯

开关

电动机电流

线性传感器;集成电流传感器 IC

货架位置

线性传感器;开关

洗碗机

门开启/关闭

开关

电动机电流

线性传感器;集成电流传感器 IC

喷雾器运行

齿轮齿;接近;开关

液位

开关;线性传感器

流量计

锁存器;双极开关

吸尘器

电动机电流

线性传感器;集成电流传感器 IC

VR 电动机换向

锁存器;双极开关

开启/关闭

开关

速度控制

线性传感器;开关

自动售货机

原位置

开关

脉冲计数器/编码器

锁存器;双极开关

选择开关

开关

车库开门器

终端停止位置

开关

脉冲计数器/编码器

锁存器;双极开关

电动机电流

线性传感器;集成电流传感器 IC

搅拌机

速度控制

线性传感器;开关

软水机

阀门位置

锁存器;开关;线性器件

参考文献

G. Pepka."Position and Level Sensing Using Hall Effect Sensing Technology."
Allegro MicroSystems technical paper.
Sensor Review Journal SR27-1, February 2007.

M. Hopkins."The State of the Art in Hall Effect Technology and Its Implications for Appliance Design and Development."
Allegro MicroSystems technical paper.
IATC, March, 2004.

A. Friedrich, M. Doogue, J. Cummings."Recent Trends in Hall Effect Current Sensing."
Allegro MicroSystems technical paper.
PCIM 2006, May 2006.

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