Come utilizzare i sensori a effetto Hall per il rilevamento di movimenti lineari senza contatto

Mekre Mesganaw – Applications manager, position sensing products, Texas Instruments

Molti sistemi richiedono una soluzione per tradurre in segnali elettrici la posizione meccanica dei componenti che si spostano con movimento lineare, in modo che l’elettronica del sistema possa reagire alla posizione del componente. Le soluzioni meccaniche basate sul contatto, come i potenziometri, eseguivano questa traduzione convertendo le posizioni meccaniche in una tensione di uscita.

Ad esempio, un trapano elettrico senza fili utilizza un potenziometro per tradurre la posizione di spostamento del grilletto in una tensione di uscita che ne regoli la velocità di conseguenza, mentre un joystick per videogiochi utilizza due potenziometri per tradurre le posizioni X e Y del joystick in tensioni di uscita per gli assi X e Y.

A causa del loro funzionamento basato sul contatto, solitamente i potenziometri si usurano più rapidamente rispetto alle alternative non basate sul contatto. Questa riduzione dell’affidabilità e della durata del sistema è esacerbata dall’eventuale esposizione del potenziometro alle vibrazioni o all’effetto di fattori esterni, come l’umidità, lo sporco o altri detriti.

Il Progetto di riferimento per grilletto senza contatto a velocità variabile con effetto Hall mostrato in Figura 1 mostra l’utilizzo di un magnete e di un sensore a effetto Hall come alternativa al rilevamento della posizione basato sul contatto per determinare la posizione di un componente in movimento. In questo progetto di riferimento, un magnete posizionato sul grilletto mobile si sposta insieme ad esso. Premendo l’interruttore verso sinistra, il magnete e il grilletto si spostano verso sinistra. Il sensore a effetto Hall rileva la densità di flusso magnetico risultante dal magnete in movimento e aggiorna la propria uscita per riflettere il cambiamento di posizione del grilletto.

Poiché il rapporto della densità di flusso magnetico varia in modo prevedibile in base alla distanza, diventa possibile risalire alla distanza fra magnete e sensore (e quindi allo spostamento del componente mobile) calcolandola per mezzo del valore di densità di flusso magnetico rilevato. Tuttavia, la mappatura del valore di densità di flusso magnetico del sensore a effetto Hall rispetto alla distanza dipende da numerosi parametri: i dati tecnici del magnete, l’orientamento del magnete rispetto al sensore, il package del dispositivo e la distanza tra il magnete e il sensore.

Questo articolo esamina come selezionare questi parametri per la progettazione di un sistema senza contatto per il rilevamento della posizione lineare basato su effetto Hall.

 

Figura 1 Progetto di riferimento per grilletto senza contatto a velocità variabile con effetto Hall.

 

Orientamenti del magnete rispetto al sensore

Quando si utilizzano sensori a effetto Hall monodimensionali (1D), la direzione della sensibilità del sensore determina parzialmente il punto in cui è possibile posizionare magnete rispetto al sensore. Se un sensore è un sensore fuori piano, ossia il caso più comune di sensori a effetto Hall, il sensore fuori piano è sensibile alla componente di campo magnetico perpendicolare al die all’interno del package.

Per i sensori 1D fuori piano a montaggio superficiale, come il package SOT-23 (Small Outline Transistor) in alto a destra nella Figura 2, il sensore a effetto Hall rileva la componente di campo magnetico perpendicolare alla superficie del circuito stampato (PCB).

Figura 2 In senso orario da in basso a sinistra: direzione della sensibilità per sensori 1D nel piano, 1D fuori piano, 1D fuori piano e 3D.

 

Per i sensori a foro passante, come il package TO-92 (Transistor Outline) in alto a sinistra nella Figura 2, il sensore a effetto Hall rileva la componente di campo magnetico perpendicolare al lato contrassegnato del package. Se il sensore a foro passante è posizionato in modo da essere perfettamente verticale, il sensore a effetto Hall è sensibile alla componente di campo magnetico parallela al circuito stampato.

Diversamente, se il sensore è un sensore nel piano, è sensibile a una componente di campo magnetico complanare al die del dispositivo. L’illustrazione in basso a sinistra nella Figura 2 mostra un sensore nel piano. Poiché la direzione della sensibilità di questo dispositivo SOT-23 nel piano è la stessa di quella del dispositivo TO-92 fuori piano nella Figura 2, il dispositivo SOT-23 nel piano a montaggio superficiale può sostituire il dispositivo TO-92 fuori piano a foro passante e mantenere la stessa direzione di sensibilità del sensore.

Per una maggiore flessibilità di posizionamento del magnete, è anche possibile utilizzare un sensore a effetto Hall 3D lineare come il TMAG5170 o il TMAG5273, come mostrato in basso a destra nella Figura 2. Le implementazioni di questi dispositivi comportano spesso l’utilizzo di due sensori nel piano e di un solo sensore fuori piano per l’implementazione del rilevamento 3D. Dal momento che non sono limitati al solo rilevamento in un’unica direzione, i sensori 3D sono l’opzione migliore per il rilevamento di campi magnetici complessi provenienti da magneti.

Una configurazione comune magnete-sensore è la configurazione head-on mostrata in Figura 3(a), dove il percorso è lungo la direzione di sensibilità. Questo particolare package SOT-23 fuori piano presenta una direzione di sensibilità sull’asse Z. Il magnete in questa configurazione si muove inoltre lungo l’asse Z e presenta inoltre una polarizzazione in direzione Z, il che fa sì che il sensore veda soltanto un campo positivo o negativo, anch’esso mostrato in Figura 3(a).

La Figura 3(b) mostra una configurazione slide-by displacement in cui il sensore a effetto Hall rileva la componente di campo magnetico in direzione Z, ma il magnete si sposta in direzione Y. Il sensore è in posizione sfalsata, ma non sul percorso della corsa. Per questa configurazione, il sensore vede campi positivi e negativi se entrambi i poli sud e nord del magnete attraversano il sensore, come mostrato nel grafico di densità di flusso magnetico in Figura 3(b).

Figura 3 Configurazioni del magnete rispetto al sensore: head-on (a); slide-by displacement (b).

 

Quando si sceglie l’uscita di un sensore a effetto Hall, è necessario considerare anche il segno del campo magnetico applicato. Dispositivi diversi hanno modi diversi di definire un campo positivo o negativo.

Ad esempio, ipotizziamo che il dispositivo fuori piano a montaggio superficiale in Figura 4 definisca un campo positivo come un campo con un flusso magnetico che va dal basso verso l’alto del package e un campo negativo come un campo con un flusso magnetico che va dall’alto verso il basso del package. Si vedrà un campo positivo quando si applica il polo sud di un magnete direttamente al di sopra del sensore oppure il polo nord di un magnete direttamente al di sotto del sensore. È necessario selezionare la polarità di uscita adatta per rilevare correttamente il campo magnetico generato dal magnete.

I sensori lineari bipolari a effetto Hall come il DRV5055 rilevano i campi sia positivi che negativi, mentre i sensori unipolari come il DRV5056 rilevano i campi positivi o quelli negativi. Poiché i sensori unipolari rilevano una polarità soltanto, potrebbero avere una risoluzione di rilevamento superiore rispetto al corrispondente dispositivo bipolare; tuttavia, poiché i dispositivi bipolari funzionano con entrambi i poli di un magnete, ciò permette di posizionare il magnete senza determinare se un polo del magnete è quello sud o quello nord.

Figura 4 Polarità di esempio di un sensore SOT-23 fuori piano.

 

Ulteriori informazioni sulle configurazioni head-on e slide-by o sulle diverse uscite dei sensori a effetto Hall sono disponibili nel video di formazione di TI, Introduzione all’Head-on

 

Effetto del tipo di package del dispositivo sulla densità di flusso magnetico rilevata

La densità di flusso magnetico rilevata da un sensore a effetto Hall dipende dalle dimensioni del magnete, dal materiale del magnete e dalla distanza tra il magnete e l’elemento di rilevamento all’interno del package del sensore a effetto Hall. La posizione dell’elemento di rilevamento all’interno del package può influenzare i valori rilevati della densità di flusso magnetico, in particolare quando il magnete è vicino al sensore.

Le schede tecniche dei dispositivi con sensore a effetto Hall comprendono solitamente la posizione dell’elemento di rilevamento all’interno del package, in quanto questa posizione può variare per ciascun dispositivo e in base alle tipologie di package.

La Figura 5 mostra la posizione dell’elemento di rilevamento all’interno del package di un dispositivo per le opzioni SOT-23 e X2SON (Extra-Small Outline No-lead) a montaggio superficiale. Se si posiziona un magnete 5 mm al di sopra del circuito stampato, la distanza tra il magnete e l’elemento di rilevamento sarebbe minore nel package SOT-23 (4,35 mm) rispetto al package X2SON (4,75 mm), dando al package SOT-23 una grandezza di densità del flusso magnetico maggiore rispetto al package X2SON.

D’altro canto, se si posiziona un magnete 5 mm al di sotto del circuito stampato, la distanza tra il magnete e l’elemento di rilevamento sarebbe maggiore nel package SOT-23 (5,65 mm) rispetto al package X2SON (5,25 mm), risultando quindi in una grandezza di densità del flusso magnetico minore per il package SOT-23.

Figura 5 Posizioni di rilevamento di esempio in package SOT-23 e X2SON.

 

Con i package a foro passante, come il package TO-92 mostrato in Figura 6, la posizione dell’elemento di rilevamento dipende anche dall’altezza di installazione del dispositivo rispetto alla superficie del circuito stampato. Nella Figura 6(b), l’installazione è tale che la posizione di rilevamento del dispositivo è più lontana dalla superficie del circuito stampato rispetto all’installazione del sensore in Figura 6(a). Ne deriva che le due installazioni del sensore misurano densità di flusso magnetico diverse.

Oltre alla variazione nei risultati dovuta alle diverse altezze di installazione del dispositivo, anche l’angolo di posizionamento del sensore incide sui valori rilevati. Nell’installazione mostrata in Figura 6(c), il sensore è leggermente piegato verso sinistra rispetto all’installazione in Figura 6(b), che comporterebbe densità di flusso magnetico differenti. Anche piegare sensore verso destra, in avanti o indietro andrebbe a incidere sui valori rilevati dal sensore. Data la variazione che può derivare dall’altezza e dall’angolo di installazione del dispositivo, i sensori a effetto Hall a foro passante richiedono attenzione nell’installazione.

L’utilizzo di distanziali per il dispositivo al fine di controllare l’altezza del package contribuisce a eliminare la variabilità nei valori rilevati del sensore. Un’altra opzione sostituisce i sensori a effetto Hall lineari fuori piano a foro passante con sensori in piano 1D a montaggio superficiale o sensori 3D.

Figura 6 Variazioni nel posizionamento del sensore a foro passante: dispositivo installato più vicino al circuito stampato (a); dispositivo posizionato più lontano dal circuito stampato senza piegatura (b); dispositivo posizionato più lontano dal circuito stampato e piegato verso sinistra (c).

 

Strumenti per determinare la migliore distanza tra magnete e sensore

Per ottenere il massimo in termini di precisione di rilevamento, occorre scegliere distanze tra magnete e sensore e dati tecnici del magnete in modo tale che la densità di flusso magnetico rilevata utilizzi il massimo intervallo magnetico possibile del dispositivo, garantendo al tempo stesso che la massima densità di flusso magnetico prodotta nel sistema rimanga entro l’intervallo magnetico del sensore. Il processo di selezione delle distanze tra magnete e sensore e dei dati tecnici del magnete è spesso un processo iterativo, che comporta la modifica dei parametri fino a quando una delle opzioni di intervallo magnetico del sensore a effetto Hall lineare riesce a rilevare correttamente la densità di flusso magnetico generata.

Esistono più opzioni per determinare la densità di flusso magnetico rispetto al rapporto della distanza per la regolazione iterativa. Strumenti di calcolo come lo strumento di prossimità di rilevamento magnetico di TI sono in grado di calcolare la densità di flusso magnetico per comuni configurazioni di magnete e sensore, comprese le configurazioni head-on e slide-by.

Conclusione

Le soluzioni di rilevamento della posizione basate sul contatto, come i potenziometri, presentano problematiche di usura che riducono la durata e l’affidabilità del prodotto. L’utilizzo di un magnete e di un sensore a effetto Hall lineare per sostituire un’implementazione di rilevamento della posizione lineare senza contatto va ad affrontare tali problematiche di affidabilità.

Per progettare correttamente un sistema di rilevamento della posizione basato su effetto Hall senza contatto, occorre tenere in considerazione l’orientamento del magnete rispetto al sensore e il tipo di package del dispositivo in modo da creare un sistema di rilevamento del movimento lineare basato su effetto Hall senza contatto.

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