集成霍尔效应磁性传感技术，现代家用电器

莫妮卡托马斯和迈克尔·Doogue，Allegro MicroSystems公司，伍斯特，MA。美国

 

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的位置，速度和电流感应应用广泛的各种解决方案，设计人员能够选择最适当的技术和封装，实现他们的商业目标和工程目标。始终保持不变，必须考虑的关键因素，如成本，移动的距离，分辨率，精度，可靠性和耐用性，必然带来共同的要求，用适当的传感技术的应用。可能的解决方案，霍尔效应技术，其非接触式磁感应，提供了卓越的价值。

介绍

随着技术的进步，霍尔效应传感器IC找到自己的方式在许多现代家用电器。霍尔效应是指可测量的电压两端出现的导电材料，例如硅（Si）时，流过导体的电流的磁场的影响（见图1）。在这些条件下产生的横向电压垂直于所施加的电流由于洛伦兹和电磁力的平衡。

霍尔效应传感器有许多优点，比传统的机械和芦苇设备。霍尔传感器的非接触式实施，提高了可靠性和耐用性，从根本上消除了机械磨损和疲劳。这些器件还具有能够感知磁场有色金属材料的物理阻碍。体积小，重量轻的封装尺寸减少实现空间和机械复杂性。许多传感器IC是用户可编程的，以满足自定义的操作和精度的要求。

背景

有几种不同类型的霍尔效应器件适用于多种应用：开关，线性，速度/方向的IC，电流传感器，仅举几例。

开关和线性电源

开关产生磁性操作（B _OP）和释放（B _RP）点的特定的移动设备的基础上的一个数字输出。线性电源生成模拟或脉冲宽度调制（PWM）输出，它是直接正比于所施加的磁场。

在开关和线性应用中，有几种可能的磁铁配置的致动装置。例如，“头”的操作模式是指移动磁体垂直于霍尔器件的有源面，如在图2中示出。

可替换地，“幻灯片由”操作模式是指移动的磁铁的霍尔器件的有源面平行（参见图3）。幻灯片的方法通常会导致更好的感应精度比头的方法，由于其较小的磁铁旅游。大的磁的磁极之间的斜率，使有可能获得非常精确的开关点位置。然而，滑动用方法也需要强大的磁铁和一个小的总有效的空气的间隙（TEAG）的使用。

用于致动的霍尔器件的另一种方法被称为叶片断续器开关。的叶片是由铁磁材料切成凹口具有唯一的配置。的叶片可以是线性或旋转运动的自定义形状。随着叶片断续器开关，磁铁和霍尔器件被安装在一个固定的位置，例如，霍尔器件被强制进入“on”状态的活化磁铁。当铁类材料的叶片之间通过的霍尔器件和活化磁铁，叶片形成了一个磁分路远离霍尔器件的转移字段。精密开关是必需的（参见图4），是经常使用的叶片的断续器技术。

 

速度和方向的IC

灭弧室的开关叶片的变体是使用专门的反向偏置的霍尔效应器件（见图5）。返回偏置装置可以用于接近开关或齿轮的齿的速度和角度感应。有了这些设备，稀土类颗粒和霍尔传感器被集成到一个包中，减少安置和对准问题。反向偏置传感器IC通常是在“关”的状态。当铁类材料在前面的包通过绘制通过磁场的霍尔器件的有源面，激活IC。

电流传感器

霍尔效应的另一种用途是检测电流流经的导线或导体。对于小电流高达20 A，霍尔模具，初级电流路径可以一起打包在一个标准尺寸的SOIC-8表面贴装封装（见图6）。倒装芯片技术的使用导致优化的霍尔元件的有源面，由电流产生的磁场，以感测之间的磁耦合。这种包装技术消除了需要的磁通集中。用于电流检测的内部电阻的铜路径是典型1.5mΩ的较低的功率损耗。

对于较大的电流至200 A，增加的铜导体的尺寸必须考虑到，在材料内的电流密度。由于这个较厚的导体和线性霍尔元件之间的磁耦合，必须使用的磁通集中（参见图7）。一个典型的初级导体电阻低至100μΩ是可以实现的。

霍尔效应器件的有超过其他电流传感技术的主要优点，因为电流传感路径是完全电隔离从低电压信号输入/输出的。

应用实例

霍尔技术已取代传统的传感技术，在许多应用中，包括门开关，旋钮的位置，鼓速度，水位测量，和电机控制。适当的霍尔器件的选择依赖于需要的精度和控制的水平。本文提供了一个采样霍尔技术可以用在现代家电应用。

旋钮的位置

霍尔传感器提供非接触式的解决方案，确定设备的旋钮位置。有几种技术可用于确定旋钮位置。例如，如果应用程序需要有限的，离散的旋钮的位置，然后，可以使用简单的开关，例如A1120或A321x。在应用程序中的每个开关代表一个独特的位置标记周围的旋钮。当的磁体，其被安装到转动旋钮在于上述一个固定开关，简单的电子逻辑可以破译哪个水平已选中。

对于更高的准确度的应用中，一个线性的移动设备可以与微处理器一起使用。随着旋钮的转动，线性的移动设备提供的绝对的模拟旋钮的位置，基于来自霍尔元件的磁场的衰减，而在微处理器中的查找表的位置解释的磁铁。适当的线性的移动设备中的应用程序依赖于所需的精度。可能包括的A132x或可编程A138x。

在图8中所示的把手位置的开关和线性实现不同的输出电压响应。

液位检测

开关与线性也可以用于监测的流体水平，如在洗衣机或洗碗机。流体液位测量一个简单的技术是悬浮在一个浮动的一个磁铁，多个霍尔开关结合使用。当浮子上升的管内时，它将触发被定位的离散开关以外的管子外壳，数字显示水位的（参见图9）。A1120此应用程序将是一个合适的开关。

霍尔技术也可以用来修改，而不是取代传统的液位测量技术。例如，一种方法，目前使用的，以确定当鼓满是扩大的塑料膜片，推压一个机械开关。机械开关组件的一种替代方法是将植入到膜片的一个磁铁，并暂停在它上面的一个霍尔开关的头部上的配置（参见图10）。取而代之的是使用开关，通过使用线性测量，可以实现更高的分辨率。的线性的解决方案，将确定的绝对的水箱中的水位，而不是仅仅表示水箱是满的时。根据所需的精度，表面安装的线性，如A132x或可编程A138x将合适的。在这些应用中，霍尔相比，基于机械凸轮开关时的可靠性，耐久性，简单起见，尺寸和重量的优点。

磁鼓旋转检测

霍尔传感器IC是有用的各种滚筒旋转检测的需求，如速度，方向和破碎带检测。

通过附加磁铁到纺丝滚筒和使用一个固定的霍尔开关可以构造​​一个简单的旋转指示器。每次鼓一个完整的旋转开关将发送数字脉冲。这个信号可以被用于简单地表示，如果鼓纺丝或也可用于由一个微处理器来计算速度。如果需要更高的感光​​鼓的位置精度，在滚筒的角位置可以被检测使用差霍尔设计，如A3425，配合的齿轮配置，如在图5中示出。更多复杂的背偏置的霍尔的配置，如A3423，是能够提供鼓的速度信息和方向检测。

除了感测的旋转鼓的位置，速度和方向，断带故障也有用的检测。例如，如果在干燥器中的加热元件无法关闭干燥器皮带断裂时，旋转缺乏可导致服装着火。图11示出了一个可能的断裂皮带检测电路，其适用于使用连接到一个旋转的感光鼓和一个静止的霍尔开关的磁铁。在这个电路中，中心节点费用由R1C1对的速度。当磁铁经过霍尔开关，IC VOUT信号经过一个高 - 低 - 高的过渡。的上升沿的VOUT信号暂时导通晶体管Q1，排出的中心节点。一个破碎带将停止鼓的旋转，防止发生转变的上升沿。这使得中央节点自由充电。当中央节点达到达林顿对，导通电压，该电路的输出切换到一个数字低信号，指示断带故障。

电机控制

霍尔效应电流传感器IC是一个强大和简单的方法监测电机电流控制和保护。电机电流消耗是成正比的转矩的电动机施加。因此，一个典型的控制马达的速度和施加的力的方法是其电流消耗测量反馈到微处理器。然后，微处理器可以计算是否必须将更多或更少的电流施加到电动机，以便实现所需的速度。霍尔效应电流传感器IC可以直接放在与电动机串联（或任何感性负载），因为它们具有非常低的电阻铜引线框架。

传统技术检测电机的电流，使用分流器放置在接地开关的马达控制组件。使用这种方法，只有一半的电动机电流可以被监测，而降低精度和提高I ² R损失。霍尔效应电流传感器IC的输入电源完全隔离，从目前的路径，允许高精确度和低功率测量。Allegro的ACS712是在SOIC-8封装，使用小标称电流的的ACS75x是在较大的电流检测需要一个CB包。

微功耗解决方案

随着社会的不断发展环境问题的认识，低能源设备的需求变得更加强大。美国联邦政府的能源之星计划的要求变得越来越严格，每年。Allegro MicroSystems公司是第一家提供微功耗霍尔开关及线性电源，以帮助制造商最大限度地减少其设备的能源消耗。

子321x系列交换机采用了独特的时钟方案和标称工作电压2.75 V的功耗实现一个典型的15μW。139x系列线性霍尔器件有一个3 V标称工作电压，在主动模式下的功耗为10 mW。139x器件还具有睡眠引脚，允许微控制器禁用的设备，降低功耗，象征性的75μW（参见图12）。此外，当139X的移动设备是在睡眠模式下的输出，则器件转换到一个高阻抗状态。因此，多个139X线性霍尔传感器IC，可以连接到一个单一的模拟 - 数字转换器的输入，只要作为轮询方案被用来监视输出的一个单一A139X设备在任何时间点。

结论

在这篇文章中所描述的应用程序厅技术如何提高现代化设备的性能和可靠性比传统的实现技术仅仅是几个例子。附加的的霍尔应用程序总结在表1。对于一个给定的应用程序的相应的霍尔器件可以使用的快板选择指南。