디지털(ON/OFF) 홀 효과 장치:스위치 및 래치

이 기술 문서에서 B-필드, 유니폴라 스위치, 옴니폴라 스위치, 홀 효과 래치 및 바이폴라 스위치의 극성에 대해 알아보십시오.

홀 효과 스위치와 래치는 자기장 비교기입니다. B-필드라고도 하는 자속 밀도를 미리 지정된 임계값과 비교하고 비교 결과를 1비트 디지털 값으로 출력합니다. 디지털(켜기/끄기) 홀 센서에는 유니폴라 스위치, 바이폴라 스위치, 옴니폴라 스위치 및 래치의 네 가지 범주가 있습니다.

각 유형의 전달 함수를 자세히 살펴보겠습니다. 그러나 그 전에 우리 논의에서 일반적으로 사용되는 중요한 개념인 자속 밀도의 극성을 명확히 하고 싶습니다.

B-필드의 극성을 어떻게 정의합니까?

홀 효과 장치는 지향성입니다. 감도 축을 따라 있는 자속 밀도의 구성 요소만 감지합니다. 그림 1은 두 개의 공통 홀 소자 패키지의 감도 축을 보여줍니다.

그림 1. 이미지 제공:Texas Instruments.

장치에 적용된 자기장이 감도 축 방향으로 구성 요소를 생성하는 경우 B-필드는 양수로 간주됩니다. 필드가 감도 축의 반대 방향으로 구성 요소를 생성하는 경우 음수로 간주됩니다. 그림 2는 센서 위치(A)에서 자속 밀도가 음의 극성을 갖는 예를 보여줍니다.

그림 2

위의 예에서 장치 감도 축이 z축 방향이라고 가정합니다. 자석의 자기장 라인은 북극에서 남극으로 이동하기 때문에 장치가 감지하는 B 자기장은 음입니다.

홀 센서 제조업체에서 일반적으로 사용하는 B-필드 극성에 관한 규칙도 있습니다. 그들은 자석 남극에 의해 생성된 자기장을 양으로, 북극의 자기장을 음으로 간주합니다. 이것은 센서의 브랜드 면이 자석을 향하고 있다는 가정을 기반으로 합니다. 브랜드 면은 장치 부품 번호 등을 찾을 수 있는 센서의 전면입니다. 그림 1에 표시된 감도 축을 고려하면 센서의 브랜드 면에 자석의 S극을 제시하면 감도 축 방향의 자기장(양의 필드). 마찬가지로 북극은 음의 자기장을 생성합니다. 자극을 센서 패키지의 뒷면(패키지의 브랜드 면이 아님)에 제시하면 위의 규칙은 더 이상 유효하지 않습니다!

이 논의를 마무리하기 위한 마지막 참고 사항:많은 홀 장치는 1차원이며 하나의 감도 축을 따라 B-필드를 감지합니다(예:그림 1 참조). 그러나 3축의 감도(3차원 센서)를 지원하기 위해 하나 이상의 홀 소자를 사용하는 보다 정교한 센서 IC가 있습니다. 이제 다양한 유형의 디지털(켜기/끄기) 홀 장치의 전달 기능을 살펴보겠습니다.

단극 스위치

단극 스위치의 기능은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3

이 장치는 스위칭 임계값(B_RP 및 B_OP )은 B-필드 축의 양의 영역에 있습니다. 출력 상태는 남쪽 극성 필드에 대한 응답으로만 변경될 수 있습니다. 북쪽 극성 또는 음의 필드는 센서에 영향을 주지 않습니다. "단극 스위치"라는 이름을 설명합니다.

자기장의 변화에 ​​장치가 어떻게 반응하는지 봅시다. 북쪽 극성 필드가 센서에 적용되고 적용된 필드를 점진적으로 증가시킨다고 가정합니다(더 긍정적으로 만듭니다). B OP의 경우 , 장치가 꺼져 있고 출력이 로직 하이입니다. 인가된 자기장이 임계값 B_OP보다 커지면(또는 더 양수) , 장치가 켜지고 출력이 반대 상태(논리 낮음)로 전환됩니다. 증가하는 B-필드에 대한 전달 함수는 그림에서 파란색 곡선으로 표시됩니다.

활성화된 장치는 감소하는 필드에 어떻게 반응합니까? 자기장이 감소하는 경우 적용된 자기장이 B_RP 미만이 될 때까지 장치가 켜져 있습니다(논리 낮음). . 이는 위 그림에서 빨간색 곡선으로 표시됩니다. B RP의 경우 , 장치가 꺼지고 출력이 로직 하이가 됩니다.

따라서 증가하는 자기장에 대한 스위칭 임계값은 감소하는 자기장에 대한 스위칭 임계값과 다릅니다. 이 히스테리시스는 의도적으로 출력에서 ​​깨끗한 스위칭을 갖도록 설계되었습니다. 홀 효과 감지 시스템의 기계적 진동과 전기 및 전자기 노이즈는 감지된 자기장에 노이즈를 유발할 수 있습니다. 임계값 레벨 주변의 B-필드 노이즈는 홀 센서의 출력에서 ​​불확실하고 빠르게 변화하는 변동을 유발할 수 있습니다(그림 4). 이러한 원치 않는 변동은 증가 및 감소 필드의 임계값을 약간 다르게 하여 제거됩니다.

그림 4. 히스테리시스가 없으면 임계값 주변에서 출력이 불확실할 수 있습니다.

위에서 보았듯이 단극 스위치의 작동은 두 가지 다른 매개변수로 설명할 수 있습니다. B_OP 및 B_RP . B_OP "자기 작동 지점" 또는 단순히 "작동 지점"을 나타냅니다. 이것은 센서가 켜지는 증가하는 자기장에 대한 임계값 레벨을 나타냅니다. B_RP "자기 릴리스 포인트" 또는 단순히 "릴리스 포인트"입니다. 감소하는 자기장에 대한 임계값 레벨을 나타냅니다. B RP의 경우 , 장치가 꺼져 있습니다. 히스테리시스는 B_HYS로 표시됩니다. 다음과 같이 제공됩니다.

B_HYS =B_OP - B_RP

아래에서 유사한 표기법을 사용하여 다른 유형의 디지털 홀 장치의 작동을 설명할 수 있다는 점에 대해 논의할 것입니다.

센서 전자 설계에 따라 센서 출력의 켜짐 및 꺼짐 상태는 그림 3에 표시된 것과 반대일 수 있습니다(장치가 꺼져 있을 때 로직 로우, 켜져 있을 때 로직 높음).

옴니폴라 스위치

옴니폴라 스위치의 전달 함수는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5

전극 스위치는 강한 양의 필드 또는 강한 음의 필드로 켜집니다. 그림과 같이 자기장의 크기가 B_OP보다 커지면 (|B|> B_OP ), 장치가 켜지고 출력이 로직 로우가 됩니다. B-field의 크기가 B_RP보다 작을 때 (|B| RP ), 센서가 꺼지고 출력이 로직 하이가 됩니다. 파란색 곡선은 B-필드가 큰 음수 값에서 큰 양수 값으로 변경될 때 센서 출력을 보여줍니다. 빨간색 곡선은 감소하는 B-필드에 대한 출력을 보여줍니다. 옴니폴라 스위치를 사용하면 작동 지점의 크기가 양극 및 음극 B 필드 모두에 대해 동일합니다. 유사하게, 방출점 크기는 남쪽과 북쪽 극성 필드 모두에서 동일합니다.

홀 효과 래치

홀 효과 래치의 전달 함수는 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6

래치 장치에는 양의 B_OP가 있습니다. 및 음수 B_RP . 충분히 큰 양수 필드(B> B_OP ) 충분히 강한 북쪽 극성 필드가 있는 경우 꺼집니다(B RP ). 장치 히스테리시스는 B=0 주변의 영역을 포함하며 BRP에서 B_OP 범위입니다. . 장치가 히스테리시스 영역에서 상태를 변경하지 않는다는 것을 알고 있습니다. 센서를 활성화하기 위해 충분히 강한 양의 필드를 적용한다고 가정합니다. 이 필드를 제거하면 장치는 B=0의 자기장을 감지합니다. 센서에 필드가 적용되지 않더라도 이전 상태를 유지하고 계속 켜져 있습니다. 극성이 반대인 강한 자기장을 인가하는 경우에만 상태가 변경됩니다. 센서에 약한 자기장이 가해지면 (B_RP OP ), 센서는 이전에 생성된 출력을 유지합니다. 이것은 이 홀 장치를 래치라고 부르는 이유를 설명합니다.

단극 또는 옴니폴라 스위치는 적용된 필드의 진폭이 변경됨에 따라 상태를 변경할 수 있지만 래치는 B 필드의 극성을 감지할 수 있습니다(적용 필드의 강도가 충분하다면). 래치는 일반적으로 예를 들어 회전 샤프트의 위치를 ​​감지하기 위한 회전 응용 프로그램에서 링 자석과 함께 사용됩니다. 이것은 그림 7에 나와 있습니다.

그림 7. 이미지 제공:Allegro.

샤프트가 회전함에 따라 감지된 자기장의 극성이 변경되고 그에 따라 센서가 켜짐/꺼짐. 래치 장치의 경우 작동 및 해제 지점은 크기가 동일하지만 극성이 반대입니다(B_OP ≠ -B_RP ).

바이폴라 스위치

바이폴라 스위치를 사용하면 "최대" 작동 지점과 "최소" 해제 지점의 값만 알 수 있습니다. 그러나 정확한 임계값은 알려져 있지 않습니다. 결과적으로 장치의 정확한 작동은 장치별로 변경될 수 있습니다. 그림 8은 최대 B_OP 약 300가우스 및 최소 B_RP 약 -300가우스입니다.

그림 8. 이미지 제공:Honeywell.

"장치 1"의 경우 둘 다 B_OP 및 B_RP 부정적이다. "장치 3"의 경우 두 임계값 모두 양수입니다. 또 다른 샘플인 "장치 2"는 래치와 유사한 응답을 보입니다. 긍정적인 B_OP가 있습니다. 및 음수 B_RP . "장치 2"의 전달 기능은 래치의 전달 기능과 유사하지만 바이폴라 스위치의 작동 및 해제 지점은 크기가 동일하지 않을 수 있습니다(B_OP - B_RP ).

보시다시피 같은 로트에서 함께 제조되는 같은 종류의 기기라도 3가지 다른 전달 함수가 가능합니다. Allegro의 "바이폴라 스위치 홀 효과 IC 기본" 애플리케이션 노트에 따르면 바이폴라 스위치의 약 10%만이 "장치 1" 및 "장치 3"과 유사한 전달 기능을 가지고 있습니다. 나머지는 래치형 응답을 갖는다. 래치 장치와 비교하여 바이폴라 스위치는 더 좁은 히스테리시스 영역(B_HYS =B_OP - B_RP ) 결과적으로 더 높은 감도. 그러나 바이폴라 스위치의 작동 모드는 장치별로 변경될 수 있으므로 시스템이 가능한 모든 B_OP 값에 대해 제대로 작동하는지 확인해야 합니다. 및 B_RP (지정된 범위 제한 내에서).

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