Front-end do czujnika Halla

Czujnik Halla ze względu na możliwość dużej integracji niezbędnych w nimkomponentów jest jednym z podstawowych sensorówpola magnetycznego używanych na szeroką skalę.

Marcin LaraJakub NiedźwiedźŁukasz Nowak

Fizyczne podstawy działania czujnika Halla.Przepływ prądu elektrycznego przez przewodnik w obecności prostopadłego pola magnetycznego generuje poprzeczne napięcie proporcjonalne do natężenia prądu w tym przewodniku. Dzieje się tak ponieważ na każdy nośnik ładunku elektrycznego poruszającego sięw obecności pola magnetycznego działa siłaLorentz’a zgodnie z zależnością:

( )BveFrrr

×=

Z kolei zmiana koncentracji płynącego prądu prowadzi do powstania poprzecznego pola elektrycznego w geometrii przewodnika. Po pewnym czasie dochodzi do równowagi dynamicznej tzn. oddziaływania kulombowskie między obszarami o różnych koncentracjach równoważą siłę Lorentz’a działającą na nośniki ładunku. Ilustracja poniżej. Powyższą sytuacjęmożna opisać następująco:

( )BveEe H

rrr×⋅−=⋅−

Rys. Schemat obrazujący efekt Halla.

Dalej, ponieważ napięcie pomiędzy dwoma punktami w polu elektrycznym jest równe iloczynowi natężenia tego pola i odległości pomiędzy punktami, mamy:

wyrażając napięcie Halla przez natężenie prądu:

gdzie to tzw. stała Halla.

,dBvdEV HH ⋅⋅=⋅=

,BIh

RBdhd

IRjBdRV HHHH ⋅=

⋅==

HR

Napięcia powstałe w wyniku tego efektu są bardzo małe, w krzemie jest to 7uV/VS/Gauss. W naszym modelu czujnika czułość wynosi 5mV/Gauss co osiąga się oczywiście wewnętrznym (on chip) wzmocnieniem sygnału. Zaznaczyćtutaj należy, że wzmocnieniu ulega jedynie różnica potencjałów na przeciwległych krawędziach przewodnika (wykorzystanie wzmacniacza różnicowego).

Rys. Sensor wykorzystujący efekt Halla.

Sensory analogowe tego typu mająpewne parametry proporcjonalne do napięcia zaisilania. Należą do nich czułość, zakres oraz tzw. Null offset czyli napięcie na wyjściu czujnika gdy nieoddzałuje na niego pole magnetyczne. Omawiane zależności opisane są przez następujący wzór:

Rys. Układ aplikacji czujnika.

Jak silne pole magnetyczne generują urządzenia codziennego użytku?

Jak widać natężenie indukcji magnetycznej pola wytwarzanego przez te urządzenia w odległości ok. 30cm nie przekraczają dziesiątej części gaussa więc nie jesteśmy w stanie zmierzyć go dokładnie naszym czujnikiem, który ma zakres 1000gaussów, a zatem niewielką czułość przy tak małych natężeniach. Przypomnieć należy, że natężenie pola magnetycznego na powierzchni ziemi wynosi ok. 0.3 gaussa. O wiele większe natężenie pola magnetycznego generują magnesy. Są to wartości rzędu kilku tysięcy gaussów.

Realizacja projektuNaszym zadaniem było zaprojektowanie

układu kondycjonującego sygnał z czujnikaHalla tak aby można było sprzęgnąć go z przetwornikiem analogowo-cyfrowym mikroprocesora STR711. Sygnał z czujnika może być zmienny w zakresie od 2V do 7V. Z kolei wejście analogowe przetwornika wmikrokontlolerze jest przystosowane do napięć z zakresu od 0V do 2.5V. Należało zatem przeskalować oraz przesunąć sygnał z czujnika.

Rys. Schemat mniejszej płytki (A).

Rys. Schemat większej płytki (B).

Wyniki symulacji, a pomiary końcowe.

W wyniku przeproadzonych symulacji udało nam się uzyskać zadowalające przebiepotwierdzające poprawność projektową. Zostały one zamieszczone poniżej:

Rys. Przebiegi w układzie symulacyjnym.

Jak widać z powyższych przebiegów sygnał wyjściowy został przeskalowany oraz przesunięty tak aby zmieścić się w zakresie od 0V do 2,5V. W takiej postaci może on zostać podany na wejście przetwornika analogowo- cyfrowego mikrokontrolera.

Na następnych slajdach zamieszczamy otrzymane przebiegi, które sązadowalające i świadczą o poprawności działania układu. Pierwszy z nich przedstawia sygnał na wejściu układu (sygnał z czujnika), poniżej znajduje sięzdjęcie przebiegu z wyjścia układu, gdzie jak widać sygnał wejściowy zostałpoprawnie przeskalowany iprzepoziomowany.

Wpływ natężenia prądu płynącego przez element Hallaoraz pomiar krzywej cechowania układu z czujnikiem

Na wykrsie powyżej umieściliśmy teoretyczne przebiegi z wyjścia czujnika dla różnych napięć zasilania oraz zebraną przez nas krzywą cechowania układu w celu zilustrowania transformacji jaka dokonała się na sygnale z wyjścia czujnika oraz ukazania wpływynatęzenia prądu płynącego na przewodnik Hallana czułość w odpowiedzi. Otóż wraz ze wzrostem napięcia zaislania czujnika rośnie prąd, którego wzrost z kolei skutkuje wzrostem w czułości odpowiedzi czujnika na zmiany w polu magnetycznym. Na wykresie widać większąstromość krzywej odpowiadającej zasilaniu czujnika większym napięciem.

Krzywa cechowania układu z czujnikiem Halla

Na podstawie powyższego przebiegu można określić podstawowe parametry

układu

Czujnik Układ z czujnikiem

VDD 9V 12V

Sensitivity 5.6mV/gauss 2.8mV/gauss

Range[gauss] +/-500 +/-446

Null Offset 4.5V 1.25V

Output Voltage Range

+/- 2.5V +/- 1.25V

Dziękujemy