霍尔效应磁感应技术在现代家用电器中的应用

霍尔效应磁感应技术在现代家用电器中的应用

作者:Monica Thomas和Michael Doogue, Alle雷竞技竞猜下载gro MicroSystems, LLC, Worcester, MA。美国

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通过为位置、速度和当前传感应用提供各种各样的解决方案，设计师可以选择最佳技术和包来实现其商业和工程目标。始终必须考虑相同的关键因素，如成本、行程距离、分辨率、准确性、可靠性和耐久性，雷竞技最新网址这些因素不可避免地将应用要求与适当的传感技术结合起来。在可能的解决方案中，霍尔效应技术及其非接触式磁感应技术提供了非凡的价值。

介绍

随着技术的进步，霍尔效应传感器集成电路正进入许多现代家用电器。霍尔效应是指当流过导体的电流受到磁场影响时，导电材料（例如硅）上出现的可测量电压（见图1）。在这些条件下，由于洛伦兹力和电磁力的平衡，产生垂直于外加电流的横向电压。

霍尔效应传感器集成电路比传统的机械和簧片器件有许多优点。霍尔传感器IC的非接触式实现通过几乎消除机械磨损和疲劳来提高可靠性和耐久性。这些设备还具有感应被有色金属材料物理阻挡的磁场的能力。轻量级的小封装尺寸减少了实现空间和机械复杂性。许多传感器IC可由用户编程，以满足定制操作和精度要求。

出身背景

有几种不同类型的霍尔效应器件，适用于各种应用:开关，线性，速度/方向ic，电流传感器ic，等等。雷竞技最新网址

开关和线性

开关根据磁操作（B）产生数字输出_操作)和释放（B）_反相)特定器件的点。线性器产生与外加磁场成正比的模拟或脉宽调制（PWM）输出。

在开关和线性应用中，有几种可能的磁铁配置用雷竞技最新网址于驱动装置。例如，“正面”操作模式是指垂直于霍尔装置的活动面移动磁铁，如图2所示。

或者，“滑动”操作模式是指平行于霍尔装置的活动面移动磁铁（见图3）。滑动法由于其较小的磁铁行程，通常比正面法具有更好的传感精度。磁极之间的大磁斜率使得获得非常精确的开关点位置成为可能。然而，滑动法还需要使用强磁铁和较小的总有效气隙（TEAG）。

另一种驱动霍尔装置的方法是叶片式断续开关。叶片是一种铁磁材料，它有一个独特的配置切口。叶片可以定制为线性或旋转运动。在叶片式断流开关中，磁铁和霍尔装置安装在一个固定的位置，这样霍尔装置被激活的磁铁强制进入“开”状态。当叶片的黑色材料通过霍尔装置和激活磁铁之间，叶片形成一个磁分流，使磁场偏离霍尔装置。叶片断续器技术常用于需要精密开关的地方(见图4)。

图4。叶片式断续开关霍尔驱动。

速度和方向集成电路

叶片式断续器开关的一种变化是使用专门的背偏霍尔效应器件（见图5）.背偏装置可用于接近开关或齿轮齿速度和角度传感。使用这些装置，稀土颗粒和霍尔传感器集成到单个封装中，减少放置和对准问题。背偏传感器IC通常处于“关闭”状态状态。当铁质材料通过封装前时，磁场通过霍尔器件的活动面，激活IC。

图5。齿轮齿霍尔驱动。

电流传感器集成电路

霍尔效应的另一个用途是检测通过导线或导体的电流。对于小电流20,大厅死和一次电流路径可以打包在一起standard-footprint SOIC-8表面安装包(参见图6)。倒装芯片技术的使用导致了优化磁耦合之间的积极面对霍尔元件和电流产生的感觉。这种封装技术不需要焊剂浓缩器。用于电流传感的铜通道的内阻通常为1.5 mΩ，以降低功耗。

图6。SOIC-8封装中的电流传感器霍尔器件。

对于高达200 A的较大电流，必须增加铜导体的尺寸，以考虑材料内的电流密度。由于较厚导体和线性霍尔元件之间存在磁耦合，因此必须使用磁通集中器（见图7）.可实现低至100μΩ的典型一次导体电阻。

图7.用于大电流（>200 A）应用的电流传感器IC装置。雷竞技最新网址

霍尔效应器件与其他电流传感技术相比具有主要优势，因为电流传感路径与低压信号输入/输出完全电隔离。

应用实例

霍尔技术已经在许多应用中取代了传统的传感技术，包括门开关、旋钮位置、汽包速度、水位测量和电机控制。选择合适的霍尔装置取决于所需的精度和控制水平。本文提雷竞技最新网址供了霍尔技术在现代家用电器应用中的示例。

旋钮位置

霍尔传感器集成电路提供了一种非接触解决方案，用于确定电器的旋钮位置。有几种方法可以确定旋钮的位置。例如，如果应用程序需要有限的、离散的旋钮位置，那么可以使用简单的开关，如A1120或A321x。应用程序中的每个开关都代表旋钮周围的一个不同的位置标记。当一个固定开关的上方有一个附在旋转旋钮上的磁铁时，简单的电子逻辑就能解释所选择的电平。

对于更高精度的应用，线性器件可以与微处理雷竞技最新网址器一起使用。当旋钮转动时，线性装置根据霍尔元件产生的磁场衰减提供旋钮的绝对模拟位置，而微处理器中的查找表则解释磁铁的位置。合适的线性装置取决于应用中所需的精度。可能的型号包括A132x或可编程A138x。

开关和旋钮位置线性实现的不同输出电压响应如图8所示。

图8。霍尔开关对旋钮位置的线性响应。

液面检测

开关和线性也可以用来监测液位，如洗衣机或洗碗机。液位测量的一种简单技术是将多个霍尔开关与悬浮在浮子中的磁铁结合使用。当浮子在管中上升时，它会触发位于管壳外部的离散开关，数字指示水位(见图9)。A1120是这种应用的合适开关。

图9。采用磁浮子和开关的液位传感技术。

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，目前用来确定鼓什么时候满的方法是膨胀塑料膜片，推动机械开关。机械开关组件的另一种选择是在膜片中植入一个磁铁，并以正面配置的方式将霍尔开关悬挂在其上方(见图10)。代替使用开关，一个更高的分辨率测量可以实现使用线性。线性解将确定绝对水位在水箱中，而不是仅仅指示何时水箱是满的。根据所需的精度，表面挂载线性如A132x或可编程A138x将是合适的。在这些应用中，与基雷竞技最新网址于机械凸轮的开关相比，霍尔具有可靠性、耐用性、简单性、尺寸和重量的优势。

图10。采用充气膜片实现的液位传感技术。

鼓旋转检测

霍尔传感器IC适用于各种滚筒旋转传感需求，如速度、方向和断带检测。

一个简单的旋转指示器可以通过在旋转滚筒上附加一个磁铁和使用一个固定的霍尔开关来构造。每次鼓充分旋转时，开关就会发出一个数字脉冲。这个信号可以用来简单地指示鼓是否在旋转，也可以被微处理器用来计算速度。如果需要更高的滚筒位置精度，可以使用差分霍尔设计(如A3425)结合如图5所示的齿轮配置来感知滚筒的角位置。更复杂的反向偏压霍尔配置，如A3423，能够提供鼓速信息和方向检测。

除了感应旋转滚筒的位置、速度和方向外，断带故障也可用于检测。例如，如果烘干机皮带断裂时，烘干机中的加热元件无法关闭，则旋转不足可能导致衣物着火。图11显示了一个可能的断带检测电路，该电路使用连接到旋转鼓的磁铁和固定霍尔开关工作。在该电路中，中心节点以R1C1对确定的速率充电。当磁铁经过霍尔开关时，IC VOUT信号经历高-低-高转换。VOUT信号的上升沿暂时接通晶体管Q1，使中心节点放电。断裂的皮带将阻止滚筒旋转，从而防止出现上升沿过渡。这允许中央节点自由充电。当中央节点达到打开达林顿对的电压时，电路输出切换为数字低信号，指示皮带断裂故障。

图11.使用简单霍尔开关的断带检测电路。

电机控制

霍尔效应电流传感器集成电路是一种强大而简单的监测电机电流的控制和保护手段。电机的电流消耗与电机施加的转矩成正比。因此，控制电机速度和施加力的典型方法是将其电流消耗测量反馈到微处理器中。然后，微处理器可以计算，为了达到所需的速度，电机是否必须施加更多或更少的电流。霍尔效应电流传感器集成电路可以直接与电机(或任何电感负载)串联，因为它们有一个非常低电阻的铜引线框。

传统技术通过安装在电机控制组件接地开关中的分流器感应电机电流。采用这种方法，只能监测一半的电机电流，这会降低精度并增加I^2.R的损失。霍尔效应电流传感器集成电路的输入电源与电流路径完全隔离，可以实现高精度和低功耗的测量。Allegro的ACS712采用SOIC-8封装，可用于较小的标称电流，ACS75x采用CB封装，可用于更大的电流传感需求。

小型解决方案

随着社会对环境问题的理解不断发展，对低能耗家电的需求也越来越强烈。美国联邦政府能源之星计划的要求每年都变得越来越严格。Allegro MicroSystems是第一家提供微功率霍尔开关和线性器的公司，以帮助制造商将设备能耗降至最低。雷竞技竞猜下载

321x系列开关采用独特的时钟方案和2.75 V额定工作电压，实现典型的15 μW功耗。139x系列线性霍尔器件在有源模式下的额定工作电压为3 V，功耗为10 mW。139x器件也有一个休眠引脚，允许微控制器禁用该器件，将功耗降低到名义上的75 μW(见图12)。此外，当139X设备处于休眠模式时，设备的输出转换到高阻抗状态。因此，只要使用轮询方案在任何时间点监测单个A139X设备的输出，就可以将多个139X线性霍尔传感器集成电路连接到单个模数转换器输入端。

图12。3伏A139x微功率线性休眠引脚输入示意图。

结论

本文中描雷竞技最新网址述的应用只是霍尔技术如何比传统实现技术提高现代设备性能和可靠性的几个例子。表1总结了其他霍尔应用。可以使用快速的选择指南.

工具书类

g . Pepka。”采用霍尔效应传感技术的位置和电平传感."
雷竞技竞猜下载Allegro微系统技术论文。
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