اجرای اصل جوی استیک هال

معمولاً در فرآیند استفاده از جوی استیک، دو راه برای دستیابی به سیگنال خروجی آنالوگ وجود دارد: فرم سنسور هال و نوع پتانسیومتر.

1، این مقاله با هدف روشن کردن اصل پیاده سازی سنسور هال، تفاوت ها، مزایا و معایب بین سالن 2 بعدی و سالن سه بعدی است.

تعریف جلوه هال:

اثر هال توسط فیزیکدان هال در سال 1879 کشف شد. این اثر رابطه بین میدان مغناطیسی و ولتاژ القایی را تعریف می کند. این اثر کاملاً با القای الکترومغناطیسی سنتی متفاوت است.

——تصویر از اینترنت

همانطور که در بالا نشان داده شد، هنگامی که یک جریان الکتریکی از یک هادی واقع در یک میدان مغناطیسی (سطح سایه دار) عبور می کند، میدان مغناطیسی بر الکترون های هادی عمود بر جهت حرکت الکترون ها نیرو وارد می کند و در نتیجه اختلاف پتانسیل ایجاد می شود. در هر دو جهت عمود بر هادی و خط اندوکتانس مغناطیسی.

هنگامی که یک میدان مغناطیسی عمود بر جهت جریان به نیمه هادی اعمال می شود، الکترون ها و حفره های موجود در نیمه هادی توسط نیروی لورنتس در جهات مختلف جذب شده و در جهات مختلف جمع می شوند. میدان الکتریکی بین الکترون ها و حفره های جمع آوری شده ایجاد می شود. پس از متعادل شدن نیروی میدان الکتریکی و نیروی لورنتس، دیگر تجمع نخواهند کرد. در این حالت، میدان الکتریکی، الکترون‌ها و حفره‌های بعدی را در معرض نیروی میدان الکتریکی قرار می‌دهد و نیروی لورنتس ایجاد شده توسط میدان مغناطیسی را متعادل می‌کند، به طوری که الکترون‌ها و حفره‌های بعدی می‌توانند به آرامی و بدون انحراف از آن عبور کنند، که اثر هال است. . اختلاف ولتاژ بین دو طرف ولتاژ هال نامیده می شود.

نمودار شماتیک

الکترون یک اختلاف پتانسیل در میدان مغناطیسی ایجاد می کند که منجر به نیروی لورنتس می شود

نیروی لورنتس F=qE به علاوه qvB/c

پس میدان هال

UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)

کاربرد هال افکت:

اگرچه اثر هال قبلاً کشف شد، اما با توسعه آهنرباهای ثابت و قطعات الکترونیکی محدود شد. سنسورهای هال برای اولین بار در حدود دهه 1970 ظاهر شدند.

سنسور پایه هال به عنوان یک مدار مجتمع تراشه هال بسیار قابل اعتماد با بسته بندی تراشه مدار از مواد تک کریستال سیلیکونی در یک ساختار بسته بندی هوادار طراحی شده است.

با این حال، به دلیل مشکلات طراحی مدار، تراشه هال که برای اولین بار استفاده می شود، تغییرات ولتاژ زیادی را به دلیل رانش دما ایجاد می کند، که نمی تواند در محیط صنعتی واقعی اعمال شود.

بعدها، تا حدود دهه 1990، برخی از شرکت ها، مانند MLX، از مدارهای جبران دما برای جبران تأثیر پارامترهای مربوط به دما در فرمول محاسبه میدان مغناطیسی استفاده کردند، به طوری که میدان مغناطیسی با دما تغییر نمی کند. علاوه بر این، تراشه هال عملیات قابل برنامه ریزی را انجام داده است، که نیازی به تطبیق خروجی آنالوگ تنظیم شده توسط تراشه هال با الزامات استفاده ندارد و سناریوی استفاده و دامنه تراشه هال را تا حد زیادی گسترش می دهد.

تراشه هال به طور گسترده در محیط های صنعتی و خودرو استفاده می شود، برای قضاوت در مورد پارامترهای جابجایی و زاویه چرخش و تبدیل آنها به خروجی آنالوگ استفاده می شود.

به دنبال شرکت MLX، بسیاری از تولیدکنندگان آی سی در داخل و خارج از کشور به توسعه تراشه هال پیوستند. تراشه هال معمولی که اکنون استفاده می شود معمولاً از چندین تراشه هال ساخته شده است که برای قضاوت افزونگی روی هم قرار گرفته اند، که وضوح و دقت خروجی آنالوگ را تا حد زیادی بهبود می بخشد.

استفاده از هال در دسته:

دستگیره های صنعتی اولیه از طریق ساختار چرخشی دسته به خروجی آنالوگ می رسیدند که گلوله را برای حرکت دریچه هیدرولیک تحت فشار قرار می داد. نقص هایی در کنترل هوشمند و طراحی منطقی وجود خواهد داشت و دستگاه هیدرولیک به طور اجتناب ناپذیری دارای پدیده نشتی روغن خواهد بود که نمی توان از آن در صحنه با نیاز سطح آلودگی بالا یا در صحنه ای که نیاز به محیطی تمیز دارد استفاده کرد.

استفاده هیدرولیک از فرم گلوله

——تصویر از اینترنت

هال برای اولین بار توسط Danfoss، سازنده آلمانی در جوی استیک استفاده شد. محصولات اصلی آن JS1، JS1000 و غیره است.

معمولاً از سازندگان تراشه هال در دسته از جمله MLX، TI، McGahn و غیره استفاده می شود.

با توجه به روش های مختلف استفاده، تفاوت هایی بین سالن هواپیمای دو بعدی و سالن سه بعدی وجود دارد.

تفاوت بین سالن دو بعدی و سالن سه بعدی:

به طور معمول استفاده از هال در دسته به دوار و جابجایی و نوسانی تقسیم می شود. نوع چرخشی هال دو بعدی و نوع جابجایی و نوسانی آن هال سه بعدی است.

* به استفاده از فولاد مغناطیسی توجه کنید:

صرف نظر از فرم هال، دو الزام کنترل حیاتی برای دستیابی به پایداری کار سالن وجود دارد.

اولین مورد فاصله بین فولاد مغناطیسی و مرکز هال است که با توجه به مدل های مختلف تراشه هال متفاوت است. به طور کلی حدود 1 تا 5 میلی متر است.

دوم اندازه مغناطیسی فولاد مغناطیسی است، با توجه به مدل تراشه هال متفاوت است، به طور کلی در ده ها تن از صدها mT.

اگر یکی از دو پارامتر خارج از محدوده باشد یا انحراف زیاد باشد، باعث ناپایداری تراشه هال و در نتیجه جهش خروجی یا انحراف خروجی می شود.

علاوه بر این، به طور کلی، فولاد مغناطیسی در طول استفاده طولانی مدت باعث انحراف خروجی به دلیل مغناطیس زدایی نخواهد شد و پارامتر کلیدی آن اجباری بودن فولاد مغناطیسی است. اجبار به این اشاره دارد که شدت القای مغناطیسی B هنگامی که میدان مغناطیسی خارجی پس از مغناطیس اشباع مواد مغناطیسی به صفر برمی‌گردد، به صفر باز نمی‌گردد. تنها با افزودن یک میدان مغناطیسی با اندازه معین در جهت مخالف میدان مغناطیسی اصلی می توان شدت القاء مغناطیسی را به صفر برگرداند که به آن میدان مغناطیسی اجباری یا نیروی اجباری می گویند.

به طور کلی، اجباری فولاد مغناطیسی به Hcb بیشتر یا مساوی 850KA/m نیاز دارد. اجبار ذاتی Hcj بزرگتر یا مساوی 955KA/m. عامل اصلی تأثیرگذار مواد فولاد مغناطیسی است. به طور کلی، اجباری مواد فریت کم است، که منجر به مغناطیسی زدایی فولاد مغناطیسی برای مدت طولانی می شود. و اجبار مواد NdFeb بزرگتر است، معمولاً دمای بالا غیر طولانی مدت (بالاتر از 60 تا 80 درجه) در شرایط استفاده، استفاده از حدود پنج تا ده سال بیش از حد کافی است.

فولاد مغناطیسی مورد استفاده برای دسته معمولاً فولاد مغناطیسی N35 Ndfeb است.

سایر عناصر کنترل شده فولاد مغناطیسی عبارتند از: Br باقیمانده و محصول حداکثر انرژی مغناطیسی BH(max).

1. نوع چرخشی:

سالن چرخشی معمولاً در مرکز محور چرخش تنظیم می شود و جهت مغناطش شعاعی است. هنگامی که شفت دستگیره چرخانده می شود، به دلیل تغییر شار مغناطیسی از طریق سنسور هال، ولتاژ هال ایجاد می شود.

مزایای این روش استفاده عبارتند از:

1. تقارن ولتاژ خوب.

2. دشواری درک کم.

3. در مورد دسته شفت دوگانه، تداخل محور XY کوچک است.

4. دسته تک محوره فضای کمتری را اشغال می کند.

5. دشواری مغناطیسی کم.

6. زاویه چرخش می تواند بزرگ باشد (کمتر از 360 درجه)

معایب عبارتند از:

1. هنگامی که دستگیره دو محوره مشخص شد، باید فضای نسبتاً بزرگی را اشغال کند.

2. باید در مرکز چرخش استفاده شود.

نوع چرخش

1. فرمول جابجایی:

معمولاً استفاده از جابجایی نیز استفاده از سالن سه بعدی مانند تراشه پرچم اول MT1531 است. معمولا جهت مغناطش شعاعی است. به این ترتیب، فولاد میدان مغناطیسی باید شار مغناطیسی 0mT در نقطه میانی داشته باشد که در هر دو طرف حداکثر است. هنگامی که فولاد مغناطیسی به این روش مغناطیسی می شود، لازم است که الزامات یکنواختی مغناطیسی در هر دو طرف فولاد مغناطیسی نواری یا فولاد مغناطیسی منحنی وجود داشته باشد. اگر اندازه مغناطیسی متفاوت باشد، توزیع شار مغناطیسی ناهموار خواهد بود و در نتیجه هنگام تکان دادن دسته، انحراف خطی خروجی در هر دو طرف ایجاد می شود.

مزایای:

1. ساختار ساده است و قیمت سالن جابجایی کم است.

2. فاز ساختاری فولاد مغناطیسی که قرار دادن آن در مرکز چرخش دشوار است بهتر است.

3. ساختار انعطاف پذیر، می تواند انواع بیشتری از ساختار را انجام دهد.

معایب:

1. فولاد مغناطیسی نیاز به تقارن مغناطیسی دارد.

2. به طور کلی، درک تقارن خطی فرمول جابجایی بسیار دشوار است.

3. زاویه چرخش نباید خیلی بزرگ باشد. (معمولاً بیش از 40 درجه نیست)

——تصویر از مشخصات MLX90333

1. نوع چرخش:

سالن نوسانی یک تحقق رایج از سالن دو محوری است. با قرار دادن چندین تراشه هال روی حسگر هال، خروجی دو محوره یا حتی چند محوره یک تراشه را متوجه می شود.

معمولاً جهت مغناطیسی فولاد مغناطیسی مغناطیسی محوری است و مغناطش محوری فولاد مغناطیسی دایره ای دشواری مغناطیسی را تا حد زیادی کاهش می دهد.

——تصویر از مشخصات MLX90333

برای حسگرهای هال، اگرچه یک تراشه سه بعدی گرانتر از یک تراشه دو بعدی است، اما هزینه اجرای یک خروجی دو محوره نسبتاً کمتر از استفاده از دو تراشه دو بعدی است.

مزایای:

1. فولاد مغناطیسی دشواری مغناطیسی کمی دارد. سختی مونتاژ کم؛

2. هزینه تحقق دو محوری کم است.

3. فضای افقی دسته کمتر اشغال شده است.

معایب:

1. نیاز آفست پچ هال نسبتاً زیاد است و نیاز آفست SMT معمولاً بیش از 1/2 پای جوش نیست. در غیر این صورت، تداخل دو محوری بزرگی وجود خواهد داشت (یعنی هنگام فشار دادن یک محور، محور دیگر دارای نوسانات خروجی است، سالن سه بعدی نمی تواند از تداخل دو محوره جلوگیری کند، اما به طور کلی در محدوده انحراف خروجی واجد شرایط در نظر گرفته می شود)

2. هزینه دستیابی به خروجی تک محوری بیشتر خواهد بود.

3. زاویه چرخش کوچکتر از نوع جابجایی است (به طور کلی بیش از 30 درجه نیست).

دسته HJ8 کنترل الکتریکی شانگهای چن گونگ از سالن سه بعدی MLX90333 استفاده می کند.

دوم عوامل موثر بر انحراف خروجی هال:

به طور کلی، عواملی که بر ولتاژ خروجی هال تأثیر می گذارد، عمدتاً دلایل زیر است. به طور کلی، از آنجایی که تراشه به ندرت خراب می شود، دلایل انحراف ولتاژ خروجی عمدتاً از تغییرات شار مغناطیسی تجزیه و تحلیل می شود:

1. تغییرات در شار مغناطیسی ناشی از فولاد مغناطیسی:

فولاد مغناطیسی شار مغناطیسی و در نتیجه ولتاژ خروجی را به دلایل مختلف تغییر می دهد، مانند:

الف) حفاظت ضعیف منجر به جذب پودر آهن بر روی فولاد مغناطیسی می شود و در نتیجه شار مغناطیسی تغییر می کند.

ب. تثبیت نادرست فولاد مغناطیسی منجر به شل شدن فولاد مغناطیسی می شود.

ج- ترک های پنهان زمانی وجود دارند که فولاد مغناطیسی پرچ یا ثابت می شود، که می تواند منجر به ترک و تغییرات شار مغناطیسی پس از دمای بالا و پایین شود.

راه های اجتناب:

این عوامل باید تجزیه و تحلیل شوند و اقدامات بهبود در FEMA طراحی و فرآیند پیگیری شود.

2. تغییرات شار مغناطیسی ناشی از علل خارجی:

به طور کلی، شار مغناطیسی از طریق تراشه هال به دلیل نوسانات مدار ناشی از میدان مغناطیسی خارجی یا ضربه ولتاژ تغییر می کند، بنابراین بر خروجی تأثیر می گذارد.

راه های اجتناب:

تست EMC انجام شد و از شیلد شیلد برای افزایش محافظ تراشه هال استفاده شد.

3. انحراف خروجی ناشی از ساختار مکانیکی:

پس از استفاده طولانی مدت، افزایش فاصله مکانیکی منجر به افزایش انحراف خروجی می شود.

راه های اجتناب:

بهینه سازی طراحی سازه

4. منبع تغذیه بدون تنظیم ولتاژ ورودی خارجی:

به طور کلی، ولتاژ نامی ورودی هال سازنده دسته هال 5 است. اگر مقدار ولتاژ خروجی کالیبراسیون 0.5~2.5V~4.5V خروجی، ولتاژ ورودی 5.5V باشد، آنگاه ولتاژ خروجی میانه 2.75V خواهد بود، فراتر از محدوده مورد نیاز میانه. بنابراین، عموماً به مشتریان گفته می شود که از منبع تغذیه تنظیم شده استفاده کنند. انحراف منبع تغذیه به طور کلی ±0.2V با شرایط در بهترین محدوده ±0.1V است.