Dispositivos de efeito Hall digital (ON / OFF):interruptores e travas

Saiba mais sobre a polaridade do campo B, interruptores unipolares, interruptores omnipolares, travas de efeito Hall e interruptores bipolares neste artigo técnico.

Interruptores e travas de efeito Hall são comparadores de campo magnético. Eles comparam a densidade do fluxo magnético, às vezes chamada de campo B, com alguns limites pré-especificados e emitem o resultado da comparação como um valor digital de 1 bit. Existem quatro categorias diferentes de sensores Hall digitais (liga / desliga):interruptores unipolares, interruptores bipolares, interruptores omnipolares e travas.

Vamos examinar a função de transferência de cada tipo em detalhes. Mas, antes disso, gostaria de esclarecer um conceito importante que será comumente usado em nossa discussão:a polaridade da densidade do fluxo magnético.

Como definimos a polaridade do campo B?

Um dispositivo de efeito Hall é direcional. Ele detecta apenas o componente da densidade do fluxo magnético que está ao longo de seu eixo de sensibilidade. A Figura 1 mostra o eixo de sensibilidade de dois pacotes de dispositivos Hall comuns.

Figura 1. Imagem cortesia da Texas Instruments.

Se o campo magnético aplicado ao dispositivo produzir um componente na direção do eixo de sensibilidade, o campo B será considerado positivo. Se o campo produzir um componente na direção oposta do eixo de sensibilidade, será considerado negativo. A Figura 2 mostra um exemplo onde a densidade do fluxo magnético tem polaridade negativa no local do sensor (A).

Figura 2

No exemplo acima, assumimos que o eixo de sensibilidade do dispositivo está na direção do eixo z. Como as linhas do campo magnético de um ímã vão do pólo norte ao pólo sul, o campo B detectado pelo dispositivo é negativo.

Também existe uma convenção com relação à polaridade do campo B que é comumente usada pelos fabricantes de sensores Hall. Eles consideram o campo magnético produzido por um pólo sul magnético como positivo e o do pólo norte como negativo. Isso é baseado na suposição de que a face marcada do sensor está voltada para o ímã. A face da marca é a superfície frontal do sensor onde você pode encontrar o número de peça do dispositivo, etc. Considerando os eixos de sensibilidade mostrados na Figura 1, você pode verificar que apresentar o pólo sul do ímã à face da marca do sensor criará um campo magnético na direção do eixo de sensibilidade (campo positivo). Da mesma forma, um pólo norte criará um campo magnético negativo. Se apresentarmos os pólos magnéticos na parte de trás do pacote do sensor (não a face da marca do pacote), a convenção acima não será mais válida!

Uma nota final para encerrar esta discussão:Muitos dispositivos Hall são unidimensionais e detectam o campo B ao longo de apenas um eixo de sensibilidade (como os mostrados na Figura 1). No entanto, existem CIs de sensores mais sofisticados que empregam mais de um elemento Hall para suportar três eixos de sensibilidade (um sensor tridimensional). Agora, vamos examinar a função de transferência dos diferentes tipos de dispositivos Hall digitais (liga / desliga).

Chaves unipolares

A funcionalidade de um switch unipolar é ilustrada na Figura 3.

Figura 3

Este dispositivo é chamado de chave unipolar por causa de seus limites de comutação (B _RP e B _OP ) estão na região positiva do eixo do campo B. O estado de saída só pode mudar em resposta a um campo de polaridade sul. Um campo de polaridade norte, ou negativo, não tem efeito no sensor; explicando o nome “interruptor unipolar”.

Vamos ver como o dispositivo responde às mudanças no campo magnético. Suponha que um campo de polaridade norte seja aplicado ao sensor e aumentemos gradualmente o campo aplicado (torne-o mais positivo). Para B OP , o dispositivo está desligado e a saída é lógica alta. À medida que o campo magnético aplicado se torna maior (ou mais positivo) do que o valor limite B _OP , o dispositivo liga e a saída muda para o estado oposto (baixo lógico). A função de transferência para um campo B crescente é mostrada pela curva azul na figura.

Como o dispositivo ativado responde a um campo decrescente? Para um campo magnético decrescente, o dispositivo permanece ligado (lógico baixo) até que o campo magnético aplicado se torne menor que B _RP . Isso é mostrado pela curva vermelha na figura acima. Para B RP , o dispositivo desliga e a saída vai para o nível lógico alto.

Portanto, o limite de comutação para um campo magnético crescente é diferente do limite de comutação para um campo decrescente. Essa histerese é intencionalmente projetada para ter uma comutação limpa na saída. Vibrações mecânicas em um sistema de detecção de efeito Hall, bem como ruído elétrico e eletromagnético, podem introduzir ruído no campo magnético detectado. O ruído do campo B em torno dos níveis de limite pode levar a flutuações indeterminadas e que mudam rapidamente na saída do sensor Hall (Figura 4). Essas flutuações indesejadas são removidas tornando os limites dos campos crescentes e decrescentes ligeiramente diferentes.

Figura 4. Sem histerese, a saída pode ser indeterminada em torno do limite.

Como vimos acima, a operação de uma chave unipolar pode ser descrita por dois parâmetros diferentes:B _OP e B _RP . B _OP significa o “ponto de operação magnético” ou simplesmente o “ponto de operação”. Isso indica o nível de limite para um campo magnético crescente acima do qual o sensor liga. B _RP é o “ponto de liberação magnética” ou simplesmente o “ponto de liberação”. Indica o nível de limiar para um campo magnético decrescente. Para B RP , o dispositivo está desligado. A histerese é representada por B _HYS que é dado por:

B _HYS =B _OP - B _RP



Discutiremos abaixo que uma notação semelhante pode ser usada para descrever a operação de outros tipos de dispositivos Hall digitais.

Observe que, dependendo do projeto eletrônico do sensor, os estados ligado e desligado da saída do sensor podem ser opostos aos representados na Figura 3 (lógica baixa quando o dispositivo está desligado e lógica alta quando está ligado).

Chaves omnipolares

A função de transferência de um interruptor omnipolar é mostrada na Figura 5.

Figura 5

Um interruptor omnipolar é ativado tanto com um campo positivo forte quanto com um campo negativo forte. Conforme mostrado na figura, quando a magnitude do campo magnético se torna maior que B _OP (| B |> B _OP ), o dispositivo liga e a saída vai para o nível lógico baixo. Quando a magnitude do campo B se torna menor que B _RP (| B | RP ), o sensor desliga e a saída vai para o nível lógico alto. A curva azul mostra a saída do sensor quando o campo B muda de um grande valor negativo para um grande valor positivo. A curva vermelha mostra a saída para um campo B decrescente. Com uma chave omnipolar, a magnitude do ponto de operação é a mesma para campos B positivos e negativos. Da mesma forma, a magnitude do ponto de liberação é a mesma para os campos de polaridade sul e norte.

Travas de efeito Hall

A função de transferência de uma trava de efeito Hall é mostrada na Figura 6.

Figura 6

Um dispositivo de trava tem um B _OP positivo e um negativo B _RP . Ele é ativado por um campo positivo suficientemente grande (B> B _OP ) e desliga na presença de um campo de polaridade norte suficientemente forte (B RP ) A histerese do dispositivo inclui a região em torno de B =0 e varia de BRP a B _OP . Sabemos que o dispositivo não muda de estado na região de histerese. Suponha que aplicamos um campo positivo suficientemente forte para ativar o sensor. Se removermos este campo, o dispositivo detectará um campo magnético de B =0. Embora nenhum campo seja aplicado ao sensor, ele manterá seu estado anterior e permanecerá ativado. Ele só mudará de estado se aplicarmos um campo forte com polaridade oposta. Quando um campo magnético fraco é aplicado ao sensor (B _RP OP ), o sensor retém sua saída produzida anteriormente. Isso explica por que esse dispositivo Hall é chamado de trava.

Embora uma chave unipolar ou omnipolar possa mudar de estado conforme a amplitude do campo aplicado muda, uma trava pode detectar a polaridade do campo B (desde que o campo aplicado tenha força suficiente). As travas são geralmente usadas com ímãs de anel em aplicações rotativas, por exemplo, para detectar a posição de um eixo rotativo. Isso é mostrado na Figura 7.

Figura 7. Imagem cortesia de Allegro.

Conforme o eixo gira, a polaridade do campo magnético detectado muda e o sensor liga / desliga de acordo. Com um dispositivo de trava, os pontos de operação e liberação são iguais em magnitude, mas têm polaridades opostas (B _OP ≠ -B _RP )

Chaves bipolares

Com uma chave bipolar, sabemos apenas o valor do ponto de operação “máximo” e o ponto de liberação “mínimo”. No entanto, os valores de limite exatos não são conhecidos. Conseqüentemente, a operação exata do dispositivo pode mudar de unidade para unidade. A Figura 8 mostra um exemplo onde máximo B _OP é cerca de 300 gauss e B _RP mínimo é cerca de -300 gauss.

Figura 8. Imagem cortesia da Honeywell.

Para “Dispositivo 1”, ambos B _OP e B _RP são negativos. Para o “Dispositivo 3”, ambos os limites são positivos. Outra amostra, “Dispositivo 2”, tem uma resposta semelhante à de uma trava. Tem um B _OP positivo e negativo B _RP . Embora a função de transferência do "Dispositivo 2" seja semelhante à de uma trava, deve-se notar que os pontos de operação e liberação de um interruptor bipolar podem não ser iguais em magnitude (B _OP - B _RP )

Como você pode ver, três funções de transferência diferentes são possíveis, mesmo para dispositivos do mesmo tipo que são fabricados juntos no mesmo lote. De acordo com a nota de aplicação “Bipolar Switch Hall-Effect IC Basics '' da Allegro, apenas cerca de 10% dos interruptores bipolares têm uma função de transferência semelhante àquela do“ Dispositivo 1 ”e“ Dispositivo 3 ”. O resto tem uma resposta do tipo trava. Comparado a um dispositivo de trava, um interruptor bipolar pode oferecer uma zona de histerese mais estreita (B _HYS =B _OP - B _RP ) e, conseqüentemente, uma maior sensibilidade. No entanto, uma vez que o modo de operação de um interruptor bipolar pode mudar de unidade para unidade, precisamos ter certeza de que o sistema funcionará corretamente para todos os valores possíveis de B _OP e B _RP (dentro dos limites de intervalo especificados).

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