디지털 자기 센서의 기초

디지털 자기 센서는 외부 자기장의 영향으로 출력 스위치가 ON과 OFF 상태 사이를 토글하는 장치입니다. 홀 효과의 물리적 원리를 기반으로 하는 이러한 유형의 장치, 근접, 위치, 속도 및 전류 감지 센서로 널리 사용됩니다. 기계식 스위치와 달리 기계적 마모가 없고 특히 중요한 환경 조건에서도 작동할 수 있으므로 오래 지속되는 솔루션입니다. 디지털 자기 센서는 비접촉식 작동, 유지 관리 부족, 견고성, 진동, 먼지 및 액체에 대한 내성과 같은 기능 덕분에 특히 자동차 및 소비자 전자 제품 부문에서 점점 더 널리 보급되고 있습니다.

예를 들어 자동차 부문에서 이러한 센서는 위치, 거리 및 속도를 감지하는 데 사용됩니다. 엔진 내부에서는 크랭크축의 위치를 ​​식별하는 데 사용되며, 승객실에서는 시트와 안전 벨트(에어백 제어 시스템 작동을 위한 기본 정보)의 위치를 ​​감지하는 데 사용되며, 바퀴에는 ABS에 필요한 회전 속도를 감지합니다.

작동 원리

각 자기 센서의 핵심은 출력 전압(홀 전압이라고도 하고 V_H으로 표시됨)으로 표시되는 홀 요소입니다. )은 반도체 물질을 통과하는 자기장의 세기에 정비례한다. 이 전압은 몇 마이크로볼트 정도의 매우 낮기 때문에 연산 증폭기, 전압 비교기, 전압 조정기 및 출력 드라이버와 같은 다른 구성 요소의 설계에 포함해야 합니다. 자기 센서는 출력 유형에 따라 아날로그 출력 전압이 자기장의 강도에 따라 선형으로 변하는 선형 센서와 출력이 두 가지 상태만 가정할 수 있는 디지털 센서로 나뉩니다. 두 경우 모두 V_H 전압은 다음 방정식을 충족합니다.

V_H =R_H · ((B · 나) / t)

여기서:V_H 홀 전압(볼트), R_H 는 홀 효과 계수, I는 센서를 통해 흐르는 전류(암페어), t는 센서 두께(mm), B는 자속 밀도(테슬라)입니다. 그림 1 그림 2의 다이어그램은 일반적인 선형 홀 효과 센서의 블록 다이어그램을 보여줍니다. 디지털 센서를 말합니다. 홀 요소는 그림 1에 나와 있습니다. "X"가 있는 사각형 상자로 표시되며 유형에 따라 센서에 동일한 유형의 여러 셀이 포함될 수 있습니다(차동 자기장을 감지하는 데 2개가 필요하고 방향 또는 움직임을 감지하는 데 3개가 필요함). 인터페이스의 유연성을 높이기 위해 아날로그 센서에는 일반적으로 차동 증폭기의 출력에 연결된 개방형 이미터, 개방형 컬렉터 또는 푸시풀 트랜지스터가 포함됩니다. 두 방식의 주요 차이점은 디지털 출력이 있는 센서에 opamp에 연결된 히스테리시스가 내장된 슈미트 트리거가 포함되어 있다는 점입니다.

센서를 통과하는 자속이 특정 임계값을 초과하면 출력이 OFF에서 ON으로 전환됩니다. 히스테리시스는 센서가 자기장에 들어오고 나갈 때 출력 신호의 진동을 제거하는 데 사용됩니다. 홀 효과를 기반으로 하는 소자는 유니폴라 센서와 바이폴라 센서로 구분된다. 바이폴라 센서는 작동을 위한 양의 자기장(남극)과 방출을 위한 음의 자기장(북극)이 필요합니다. 단극 센서는 작동 및 해제 모두에 단일 자극(남극)이 필요합니다. 또한, 센서는 일반적으로 전자기장이 없을 때 OFF 상태(개방 회로)에서 출력을 생성하고 충분한 강도의 자기장에 노출될 때 ON 상태(폐쇄 회로)에서 출력을 생성하도록 설계되었습니다. 극성.

응용 프로그램

특정 유형의 애플리케이션에 관계없이 홀 효과 센서의 올바른 작동을 위한 기본 요구 사항은 자속 선이 항상 센서 표면에 수직이고 올바른 극성을 가져야 한다는 것입니다. 디지털 자기 센서의 응용 분야는 자동차, 소비자 전자 제품, 전자 의료 시스템, 통신, 산업 공정 제어를 포함하여 다양합니다. 위치 센서는 자석과 센서 사이의 슬라이딩 움직임을 감지하는 데 사용되며 두 요소는 매우 짧은 거리에 배치됩니다. 자석과 센서 사이의 상대적인 움직임은 센서가 남쪽으로 이동할 때 양의 자기장을 생성하고 센서가 북극쪽으로 이동할 때 음의 자기장을 생성합니다.

위치를 결정하기 위해 여러 기술을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 응용 프로그램에 제한적이고 개별적인 위치가 필요한 경우 간단한 스위치를 사용할 수 있고 더 높은 정밀도가 필요한 응용 프로그램의 경우 선형 장치를 마이크로프로세서와 함께 사용할 수 있습니다. 위치 또는 근접 센서는 또한 세탁기나 식기 세척기와 같은 가전 제품의 응용 분야에서 액체의 수위를 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다. 이 경우 여러 개의 홀 스위치가 플로트에 배치된 자석과 함께 사용됩니다.

플로트가 튜브 내부에서 상승하면 하우징 외부에 위치한 해당 개별 스위치가 활성화되어 수위를 디지털로 표시합니다. 또 다른 중요한 응용 분야는 속도가 기계적 정류가 아닌 전기에 의해 제어되는 DC 브러시리스 모터에 관한 것입니다. 이와 관련하여 3개의 디지털 자기 센서는 모터 고정자에 위치하고 영구 자석은 회전자 샤프트에 위치합니다. 자동차 부문은 시장 점유율의 40% 이상을 차지하는 글로벌 자기장 센서 시장의 리더로 부상했습니다. 자동차에 여러 안전 기능을 통합하려는 수요가 증가함에 따라 전자 안정성 제어 시스템(ESC) 및 잠금 방지 제동 시스템(ABS)과 같은 여러 안전 관련 애플리케이션에서 활용되는 홀 센서에 대한 기회가 생겼습니다.

위치 감지를 위한 디지털 자기 센서의 예로는 Allegro MicroSystems A1210-A1214 장치 제품군이 있습니다. 자동차 애플리케이션용 AEC-Q100 인증을 받은 A121x 시리즈 센서는 확장된 온도 범위에서 안정적이고 지속적인 작동, 강력한 EMC 성능 및 높은 ESD 등급으로 높은 신뢰성을 제공합니다. A1210-A1214 홀 효과 래치는 단일 실리콘 칩에 전압 조정기, 홀 전압 생성기, 소신호 증폭기, 슈미트 트리거 및 NMOS 출력 트랜지스터를 포함합니다.

홀 소자에 수직인 자기장이 작동점 임계값을 초과하면 이러한 장치의 출력이 로우로 전환됩니다(켜짐). 이 센서는 래칭 동작, 즉 충분한 강도의 남극이 장치를 켜고 남극을 제거한 후에도 계속 켜져 있다는 특징이 있습니다. 자기장이 릴리스 포인트 아래로 감소하면 센서 출력이 높아집니다(꺼짐). 자기 작동 및 해제 지점의 차이는 장치의 히스테리시스입니다.

자기 센서는 각도 위치의 정확한 감지에도 적합합니다. 예를 들어 AMS AS5048A/AS5048B 자기 로터리 인코더는 360° 각도 위치 감지를 위해 14비트 고해상도 출력을 제공하는 센서입니다. 그림 3은 장치의 주요 기능 블록인 홀 센서, 아날로그-디지털 변환기 및 디지털 신호 처리를 보여줍니다. 자석의 절대 위치는 PWM 출력을 통해 직접 액세스할 수 있으며 버전에 따라 표준 SPI 또는 고속 I²C 인터페이스를 통해 얻을 수 있습니다. 영점 위치는 SPI 또는 I²C 명령을 통해 프로그래밍할 수 있어 자석을 기계적으로 정렬할 필요가 없기 때문에 전체 시스템을 단순화합니다. 센서는 오정렬, 공극 변동, 온도 및 외부 자기장 변동을 허용합니다. 신뢰성, 견고성 및 넓은 온도 범위는 열악한 산업 및 의료 환경에서 회전 각도 감지에 이상적입니다.

결론

디지털 자기 홀 효과 센서는 모든 위치 감지 애플리케이션에 대한 견고성, 내구성 및 신뢰할 수 있는 작동으로 설계자들 사이에서 잘 알려져 있습니다. 단순히 노트북 덮개의 닫힘을 감지하든 복잡한 모터 정류 및 정확한 위치 측정을 수행하든 홀 효과 센서는 가장 가혹한 환경 조건에서도 극도로 정밀하게 위치를 감지합니다.

작성자:S. Lovati, 전자 엔지니어 및 기술 저자