6 (false) leggende sui sensori a effetto Hall

Autore: Manny Soltero – product marketing engineer, position sensing products, Texas Instruments

 

Nel mio precedente articolo tecnico sulle leggende dei sensori a effetto Hall mi sono concentrato sulle credenze errate in merito agli interruttori e ai latch a effetto Hall in cui i progettisti potrebbero trarre vantaggio per l’utilizzo di sensori a effetto Hall anziché altri circuiti integrati. Le sei leggende in questo articolo vanno un po’ più a fondo nelle capacità di misurazione d’angolo ad alta precisione dei sensori a effetto Hall e nel loro utilizzo in sistemi robotizzati per l’automazione industriale. Analogamente al primo articolo, sono benvenuti i vostri commenti in basso per segnalare eventuali leggende che vorreste vedere trattate in futuro.

Leggenda N. 1: soltanto i sensori TMR possono effettuare misurazioni nel piano.

Generalmente i progettisti prendono in considerazione i sensori con magnetoresistenza a effetto tunnel (TMR) per via della loro elevata sensibilità magnetica, l’elevata linearità e basso consumo energetico. Inoltre, i sensori TMR possono rilevare i campi magnetici in orizzontale (o nel piano) con il package. La maggior parte dei sensori a effetto Hall oggi disponibili sono sensibili ai campi perpendicolari, ma ve ne sono alcuni, come il TMAG5123, che dispongono di capacità di rilevamento nel piano. La Figura 1 mostra la direzionalità della sensibilità di un sensore nel piano. Vedere il briefing applicativo «Rilevamento di campi magnetici nel piano rispetto al rilevamento fuori dal piano».

Figura 1: Sensibilità nel piano

 

Leggenda N. 2: gli interruttori a effetto non sono un sostituto utile per gli interruttori reed.

Gli interruttori reed hanno ancora un utilizzo prevalente in molte applicazioni. Tra le applicazioni comuni per gli interruttori reed vi sono i sensori per porte e finestre. Lo svantaggio principale degli interruttori reed in sistemi di allarme di sicurezza è l’incapacità di rilevare gli eventi di manomissione. Utilizzando un sensore di posizione lineare 3D a effetto Hall, i progettisti possono assegnare qualsiasi canale non utilizzato alla misurazione attiva per rilevare questo evento.

Un ulteriore esempio è il controllo della posizione esatta di uno sportello per frigorifero per accendere o spegnere la luce. Gli interruttori a effetto Hall offrono un rilevamento coerente della distanza di apertura e chiusura grazie alle loro specifiche con isteresi di soglia ristretta.

Un ulteriore svantaggio degli interruttori reed è la loro incapacità di utilizzare procedure di assemblaggio standard per il circuito stampato (PCB). Questi interruttori devono essere saldati a mano sulla scheda, complicando quindi il processo di assemblaggio e aumentando i costi. La Tabella 1 confronta le due tecnologie.

Specifiche Interruttori a effetto Hall Interruttori reed
Sensibilità di orientamento magnetico Ortogonale e nel piano Parallelo (come nel piano)
Assorbimento di corrente Nel campo delle microampere (duty cycle a bassa frequenza) Nel campo fra le microampere e le milliampere (con impulso dall’ingresso/uscita per uso generale del microcontroller [MCU])
Sensibilità polarità Entrambi i poli (onnipolare) Entrambi i poli
Isteresi Nel campo dei millitesla a singola cifra Variazione 40%-95%
Commutazione diretta dei carichi? Richiede circuiti aggiuntivi Sì (fino a 3 A)
Tempo di risposta ≅10 µs Da 25 µs a 100 µs
Durata prevista Operazioni effettivamente illimitate; limitata dalla durata prevista del silicio Tra migliaia e miliardi di operazioni, a seconda del carico
Suscettibilità agli urti Nessuna
Assemblaggio Assemblaggio PCB standard Assemblaggio manuale con elevata perdita di rendimento (10%)
Temperatura d’esercizio Da –40 °C a 125 °C Da –55 °C a 200 °C

                                      Tabella 1: Confronto fra interruttori a effetto Hall e interruttori reed

Leggenda N. 3: i sensori a effetto Hall sono la stessa cosa degli elementi Hall.

Non è vero che gli elementi Hall sono essenzialmente la stessa cosa dei sensori a effetto Hall. L’elemento Hall, che richiede un circuito di polarizzazione e un amplificatore differenziale, è la struttura più essenziale necessaria per produrre una tensione utilizzabile. A differenza dei sensori a effetto Hall, gli elementi Hall non sono dotati di tutti i circuiti di supporto integrati in un singolo package.

La Figura 2 mostra l’implementazione del circuito per entrambi i tipi di sensori. Gli elementi Hall sono solitamente utilizzati per applicazioni in cui l’accuratezza non è fondamentale, in cui il costo è di estrema importanza e in cui un amplificatore differenziale si trova nei pressi per ridurre al minimo l’accoppiamento del rumore. Inoltre, gli elementi Hall presentano una variazione non lineare inerente rispetto alla temperatura, mentre i sensori a effetto Hall sono dotati di compensazione integrata per garantire misurazioni stabili su un ampio intervallo di temperature tra –40 °C e 125 °C. Per ulteriori informazioni sui sensori a effetto Hall, vedere l’articolo «Che cos’è un sensore a effetto Hall?»

Figura 2: Implementazione del circuito per un elemento Hall (a) rispetto a un sensore a effetto Hall (b)

 

Leggenda N. 4: è facile manomettere sistemi che utilizzano i sensori a effetto Hall.

È possibile manomettere sistemi che utilizzano interruttori reed e interruttori a effetto Hall elementari. Grandi campi magnetici esterni possono ingannare un sistema in modo da farlo funzionare come se tutto stesse funzionando correttamente. Un metodo valido per risolvere questo problema è l’utilizzo di un sensore a effetto Hall 3D lineare. Uno degli assi monitora la presenza del magnete previsto, mentre gli altri due canali rilevano i campi magnetici esterni. Utilizzando un sensore 3D lineare con una soglia magnetica configurabile per ciascun canale si ottiene una maggiore flessibilità nell’impostazione della corretta soglia di «rilevamento della manomissione». L’esempio in Figura 3 mostra una MCU che riceve un segnale di interrupt una volta superata la soglia.

Figura 3: Rilevamento delle manomissioni utilizzando un sensore effetto Hall 3D

 

Leggenda N. 5: i sensori a effetto Hall non sono utili per la misurazione degli angoli.

I sensori a effetto Hall trovano applicazione in molte applicazioni di spostamento, ma sono utilizzati anche per la misurazione assoluta degli angoli. Posizionando strategicamente due sensori lineari a effetto Hall ad asse singolo intorno a un magnete a dipolo rotante, ciascun sensore rileva un vettore di campo magnetico sfasato rispetto all’altro. Con queste informazioni è facile calcolare l’angolo esatto del magnete rotante utilizzando la funzione arcotangente.

La Figura 4a mostra due implementazioni che utilizzano sensori lineari in due diversi tipi di package. Un metodo più elegante per eseguire la misurazione degli angoli è utilizzare un singolo sensore di posizione lineare 3D a effetto Hall (vedere la Figura 4b per le varie configurazioni). Per saperne di più sulle misurazioni degli angoli, leggere «Misurazioni assolute degli angoli per movimenti rotatori utilizzando sensori a effetto Hall» e «Misurazione degli angoli con sensori a effetto Hall lineari multiasse».

Figura 4: Misurazione assoluta degli angoli con due sensori di posizione lineari a effetto Hall ad asse singolo (a) e un sensore di posizione lineare 3D a effetto Hall (b)

 

Leggenda N. 6: i sensori a effetto Hall lineari non sono accurati.

I sensori a effetto Hall lineare sono soluzioni convenienti in grado di offrire informazioni magnetiche affidabili. Gli utenti di questi sensori ne sono consapevoli, ma spesso prendono in considerazione altre tecnologie per rispondere ai loro requisiti di alta accuratezza. Ad esempio, i bracci di robot industriali devono essere posizionati con precisione rispetto all’oggetto/agli oggetti target: utilizzando un sensore a effetto Hall 3D lineare ad alta accuratezza, come il TMAG5170, si ottiene la precisione necessaria per queste applicazioni (Figura 5). Inoltre, la deriva ad alta precisione e a bassa sensibilità rispetto alla temperatura offerta dal TMAG5170 permette potenzialmente di eliminare la necessità di calibrazione a livello di sistema.

Figura 5: Un sensore 3D lineare in un’applicazione con braccio robotizzato

 

Spero che abbiate apprezzato i miei articoli che puntano a sfatare alcune leggende diffuse sui sensori a effetto Hall. Questi sensori continuano ad aumentare la loro popolarità in applicazioni automotive e industriali grazie alla loro elevata accuratezza e alla loro sempre maggiore varietà di funzioni e opzioni diagnostiche integrate. Come menzionato all’inizio dell’articolo, sarò lieto di ricevere eventuali domande nei commenti in basso su queste leggende o su altre leggende non ancora affrontate.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.

Menu