Grundlagen digitaler Magnetsensoren

Ein digitaler Magnetsensor ist ein Gerät, bei dem die Ausgangsschalter aufgrund des Vorhandenseins eines externen Magnetfelds zwischen den Zuständen EIN und AUS umschalten. Geräte dieser Art, basierend auf dem physikalischen Prinzip des Hall-Effekts, werden häufig als Näherungs-, Positionierungs-, Geschwindigkeits- und Stromerkennungssensoren verwendet. Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern sind sie eine langlebige Lösung, da sie frei von mechanischem Verschleiß sind und auch unter besonders kritischen Umgebungsbedingungen funktionieren. Digitale Magnetsensoren werden vor allem in der Automobil- und Unterhaltungselektronik immer weiter verbreitet, dank Eigenschaften wie berührungsloser Betrieb, Wartungsfreiheit, Robustheit und Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen, Staub und Flüssigkeiten.

Im Automobilbereich werden diese Sensoren beispielsweise zur Erfassung von Position, Abstand und Geschwindigkeit eingesetzt. Im Motor dienen sie zur Positionserkennung der Kurbelwelle, im Fahrgastraum zur Positionserkennung der Sitze und Sicherheitsgurte (Basisinformation zur Bedienung der Airbag-Steuerung) und an den Rädern erkennt die vom ABS benötigte Drehzahl.

Funktionsprinzip

Das Herzstück jedes Magnetsensors stellt das Hall-Element dar, dessen Ausgangsspannung (auch Hall-Spannung genannt und mit V_H . bezeichnet) ) ist direkt proportional zur Intensität des Magnetfelds, das durch das Halbleitermaterial geht. Da diese Spannung sehr niedrig ist, in der Größenordnung von einigen Mikrovolt, ist es notwendig, andere Komponenten wie Operationsverstärker, Spannungskomparatoren, Spannungsregler und Ausgangstreiber in den Entwurf einzubeziehen. Abhängig von der Art des Ausgangs werden magnetische Sensoren in lineare, bei denen die analoge Ausgangsspannung linear mit der Stärke des Magnetfelds variiert, und in digitale, bei denen der Ausgang nur zwei Zustände annehmen kann, unterteilt. In beiden Fällen ist der V_H Spannung erfüllt die folgende Gleichung:

V_H =R_H · ((B · I) / t)

wobei:V_H ist die Hall-Spannung in Volt, R_H ist der Hall-Effekt-Koeffizient, I ist der durch den Sensor fließende Strom in Ampere, t ist die Dicke des Sensors in mm und B ist die magnetische Flussdichte in Tesla. Abbildung 1 zeigt das Blockschaltbild eines generischen linearen Hall-Effekt-Sensors, während das Diagramm von Abbildung 2 bezieht sich auf einen digitalen Sensor. Das Hall-Element ist in Abbildung 1 . dargestellt durch das quadratische Kästchen mit einem „X“ und je nach Typ kann ein Sensor mehrere Zellen des gleichen Typs umfassen (zwei sind erforderlich, um unterschiedliche Magnetfelder zu erkennen, drei zur Erkennung von Richtung oder Bewegung). Um die Flexibilität der Schnittstelle zu erhöhen, enthält der analoge Sensor normalerweise einen offenen Emitter-, offenen Kollektor- oder Gegentakttransistor, der mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Schemata besteht darin, dass der Sensor mit digitalem Ausgang einen Schmitt-Trigger mit integrierter Hysterese enthält, der an den Operationsverstärker angeschlossen ist.

Wenn der durch den Sensor fließende Magnetfluss einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, schaltet der Ausgang von AUS auf EIN. Die Hysterese wird verwendet, um jede Schwingung des Ausgangssignals zu eliminieren, wenn der Sensor das Magnetfeld betritt und verlässt. Die auf dem Hall-Effekt basierenden Geräte werden in unipolare und bipolare Sensoren unterteilt. Bipolare Sensoren benötigen zum Betrieb ein positives Magnetfeld (Südpol) und zum Auslösen ein negatives Magnetfeld (Nordpol). Unipolare Sensoren benötigen sowohl zum Betätigen als auch zum Auslösen einen einzigen Magnetpol (Südpol). Darüber hinaus sind Sensoren normalerweise so ausgelegt, dass sie im AUS-Zustand (offener Stromkreis) bei Abwesenheit eines elektromagnetischen Feldes eine Ausgabe und im EIN-Zustand (geschlossener Stromkreis) eine Ausgabe erzeugen, wenn sie einem Magnetfeld ausreichender Stärke und mit der korrekten Polarität.

Anwendungen

Unabhängig von der jeweiligen Anwendung ist eine Grundvoraussetzung für den korrekten Betrieb von Hall-Effekt-Sensoren, dass die magnetischen Flusslinien immer senkrecht zur Sensoroberfläche verlaufen und die richtige Polarität aufweisen. Die Anwendungen digitaler Magnetsensoren sind vielfältig, darunter Automobil, Unterhaltungselektronik, elektromedizinische Systeme, Telekommunikation, Steuerung industrieller Prozesse. Positionssensoren werden verwendet, um eine Gleitbewegung zwischen Magnet und Sensor zu erkennen, wobei die beiden Elemente in sehr geringem Abstand platziert sind. Die Relativbewegung zwischen Magnet und Sensor erzeugt ein positives Magnetfeld, wenn sich der Sensor nach Süden bewegt und ein negatives Magnetfeld, wenn sich der Sensor in Richtung Nordpol bewegt.

Zur Positionsbestimmung stehen mehrere Techniken zur Verfügung:Wenn die Anwendung beispielsweise eine begrenzte und diskrete Position erfordert, können einfache Schalter verwendet werden, während für Anwendungen, die eine höhere Präzision erfordern, ein Lineargerät in Kombination mit einem Mikroprozessor verwendet werden kann. Auch Positions- oder Näherungssensoren können zur Überwachung des Flüssigkeitsstands eingesetzt werden, beispielsweise in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen oder Geschirrspülern. In diesem Fall werden mehrere Hall-Schalter in Kombination mit einem auf dem Schwimmer platzierten Magneten verwendet.

Wenn der Schwimmer im Rohr ansteigt, werden die entsprechenden diskreten Schalter außerhalb des Gehäuses aktiviert, die eine digitale Anzeige des Wasserstands liefern. Eine weitere wichtige Anwendung betrifft bürstenlose Gleichstrommotoren, deren Drehzahl eher durch elektrische als durch mechanische Kommutierung gesteuert wird. Dabei sind am Motorstator drei digitale Magnetsensoren und an der Rotorwelle Permanentmagnete angebracht. Der Automobilsektor hat sich mit einem Marktanteil von über 40 % zum Marktführer auf dem weltweiten Markt für Magnetfeldsensoren entwickelt. Die steigende Nachfrage nach Integration mehrerer Sicherheitsfunktionen in Automobile hat eine Chance für Hall-Sensoren geschaffen, die in mehreren sicherheitsrelevanten Anwendungen wie dem elektronischen Stabilitätskontrollsystem (ESC) und dem Antiblockiersystem (ABS) genutzt werden.

Ein Beispiel für digitale Magnetsensoren zur Positionserkennung ist die Gerätefamilie Allegro MicroSystems A1210-A1214. Ausgestattet mit der AEC-Q100-Zertifizierung für Automobilanwendungen bieten die Sensoren der A121x-Serie hohe Zuverlässigkeit mit stabilem und kontinuierlichem Betrieb über den erweiterten Temperaturbereich, robuste EMV-Leistung und hohe ESD-Bewertung. Die Hall-Effekt-Latches A1210-A1214 enthalten Folgendes auf einem einzigen Siliziumchip:Spannungsregler, Hall-Spannungsgenerator, Kleinsignalverstärker, Schmitt-Trigger und NMOS-Ausgangstransistor.

Der Ausgang dieser Geräte schaltet auf Low (schaltet sich ein), wenn ein Magnetfeld senkrecht zum Hall-Element den Arbeitspunkt-Schwellenwert überschreitet. Der Sensor weist ein rastendes Verhalten auf, d. h. ein ausreichend starker Südpol schaltet das Gerät ein und bleibt auch nach Entfernen des Südpols eingeschaltet. Wenn das Magnetfeld unter den Freigabepunkt reduziert wird, wird der Sensorausgang hoch (erlischt). Der Unterschied zwischen den magnetischen Auslöse- und Auslösepunkten ist die Hysterese des Geräts.

Magnetsensoren eignen sich auch zur genauen Erfassung der Winkelposition. Ein Beispiel ist der magnetische Drehgeber AMS AS5048A/AS5048B, ein Sensor, der einen hochauflösenden 14-Bit-Ausgang für eine 360°-Winkelpositionserkennung liefert. Abbildung 3 zeigt die Hauptfunktionsblöcke des Geräts:Hallsensor, Analog-Digital-Wandler und digitale Signalverarbeitung. Die absolute Position des Magneten ist über einen PWM-Ausgang direkt abrufbar und kann je nach Ausführung über eine Standard-SPI- oder eine Highspeed-I²C-Schnittstelle erfasst werden. Die Nullposition kann per SPI- oder I²C-Befehl programmiert werden, was das Gesamtsystem vereinfacht, da der Magnet nicht mechanisch ausgerichtet werden muss. Der Sensor toleriert Fehlausrichtungen, Luftspaltschwankungen, Temperatur und externe Magnetfeldschwankungen. Zuverlässigkeit, Robustheit und ein breiter Temperaturbereich machen es ideal für die Drehwinkelerfassung in rauen industriellen und medizinischen Umgebungen.

Schlussfolgerung

Digitale magnetische Hall-Effekt-Sensoren sind unter Designern für ihre Robustheit, Haltbarkeit und ihren zuverlässigen Betrieb für jede Positionserfassungsanwendung bekannt. Egal, ob Sie einfach das Schließen eines Laptopdeckels erkennen oder eine komplexe Motorkommutierung und genaue Positionsmessung durchführen, Hall-Effekt-Sensoren erfassen die Position mit extremer Präzision selbst unter den härtesten Umgebungsbedingungen.

Von S. Lovati, Elektronikingenieur und technischer Autor