Multe aplicații necesită utilizarea unor electronice de suport în plus față de un senzor digital sau liniar. Dacă o aplicație prezintă un volum de producție suficient de mare pentru un senzor care necesită electronică auxiliară, este adesea eficient să se integreze acele electronice pe IC împreună cu senzorul. Un circuit integrat care vizează o anumită aplicație este denumit de obicei un circuit integrat specific aplicației sau pur și simplu un ASIC. Senzorii geartooth descriși în Capitolul 8 sunt exemple de ASIC-uri concepute pentru a detecta țintele rotitoare. IC-urile descrise în acest capitol sunt toate concepute pentru a rezolva probleme particulare și unice.

9.1 Comutatoare micropower

Comenzile interfeței-utilizator, cum ar fi butoane și comutatoare, controlează din ce în ce mai mult semnalele de nivel-logic, spre deosebire de controlarea directă a sarcinilor de mare putere, cum ar fi motoarele. Dar, în aplicațiile cu nivel-logic de curent-scăzut, comutatoarele mecanice prezintă o fiabilitate surprinzător de scăzută. Nivelele curentului de comutare variind de la microamperi la miliamperi nu produc amorsare suficientă pentru a curăța oxizii de pe contactele comutatorului. În plus, tensiunile de nivel logic (3-5 V) nu sunt deosebit de eficiente la ruperea straturilor de oxid pe închiderea comutatorului. Ca urmare, un comutator mecanic care funcționează bine atunci când comută direct o sarcină de putere poate eșua prematur când este folosit ca un control de nivel logic.

Senzorii cu efect-Hall, în combinație cu un magnet de acționare, pot fi utilizați pentru a realiza controale de interfață cu utilizator de înaltă fiabilitate. Deoarece nu există contacte care să corodeze sau să se uzeze, și nici componente în mișcare decât ansamblul magnetului de acționare, este posibil să se construiască comenzi de nivel logic cu timp mediu de așteptare lung până la defecțiune.

Un dezavantaj al utilizării dispozitivelor cu efect-Hall este, totuși, consumul curentului relativ ridicat. Un comutator mecanic necesită, în esență, curent zero când nu este ON. Un comutator cu efect-Hall poate necesita 5 mA. Deși acest lucru nu poate fi o problemă în cazul în care comanda intră într-o piesă de echipament alimentată de la rețea, pentru dispozitivele alimentate de la baterie, consumul curentului scăzut este de o importanță capitală. De exemplu, o baterie alcalină tipică 9V poate fi evaluată la aprox. 500 mA-ore, ceea ce înseamnă că poate da 1 mA timp de 500 ore (sau 10 mA timp de 50 de ore) înainte de a fi consumată. Un senzor cu efect-Hall, care consumă 5 mA, ar putea funcționa timp de aproximativ 100 de ore de la această baterie sau puțin peste 4 zile. Asta ar putea să nu fie o problemă dacă aceste 100 de ore reprezintă timpul de "utilizare" pentru dispozitiv. Dacă, totuși, senzorul cu efect-Hall este comutatorul ON/OFF al dispozitivului, trebuie schimbate bateriile la fiecare 4 zile, chiar dacă dispozitivul este utilizat sau nu, ceea ce este o problemă reală. O schemă de înlocuire a bateriilor la această frecvență va face aproape sigur dispozitivul să nu fie practic ca produs.

O soluție la problema consumului de curent a fost prezentată în capitolul 5, care este de a alimenta dispozitivul doar atunci când trebuie să priviți ieșirea. Deși numai o cantitate mică de electronică este necesară pentru a efectua comutarea efectivă a puterii, elementele electronice necesare pentru a controla ciclul de putere și pentru a păstra starea de ieșire a senzorului cu efect-Hall pot fi considerabil mai costisitoare. Costul suplimentar al ciclului de putere al senzorului va face de multe ori această soluție prohibitivă pentru multe aplicații de consum.

Deoarece aplicațiile portabile cu baterii devin din ce în ce mai populare, a apărut o piață semnificativă pentru senzorii cu efect- Hall de putere redusă. Din acest motiv, mai mulți producători oferă acum dispozitive cu efect-Hall de microputere. Aceste dispozitive funcționează prin alimentarea ciclică a traductorului cu efect-Hall și a circuitelor de polarizare și amplificare asociate. Fig. 9-1 arată modul în care se realizează acest lucru. Un generator de impuls cu ciclu de funcționare redus activează circuitele de traductor, amplificator și detector de prag. Pe frontul de cădere al impulsului, ieșirile senzorilor de prag sunt blocate.

Fig. 9-1: Reprezentarea schematică a senzorului Hall cu ciclu de alimentare.

Melexis MLX90222 este un exemplu de comutator cu efect-Hall de microputere. În acest dispozitiv, traductorul cu efect-Hall și amplificatorul sunt alimentate ON timp de 60 μsec (tipic), în timpul căruia un flip-flop este setat sau resetat dacă câmpul magnetic detectat este mai mare decât punctul de operare magnetică a dispozitivului (BOP) sau mai mic decât punctul de eliberare (BRP). În această stare ON, IC senzor consumă circa 0,7 mA curent de alimentare. La sfârșitul stării ON, traductorul și amplificatorul sunt comutați OFF timp de 40 ms (tipic), după care ciclul se repetă. În timp ce traductorul se află într-o stare deconectată, starea de ieșire este menținută de un flip-flop, iar curentul de alimentare este de numai aproximativ 10 μA.

Deoarece fracțiunea totală de timp petrecut în starea ON este de numai aproximativ 0,15%, consumul mediu de curent este doar puțin mai mare decât cea a stării nealimentate. Deoarece starea de ieșire nu poate fi afectată de variațiile câmpului magnetic atunci când senzorul nu este alimentat, efectul global este ca senzorul să preia un "instantaneu" al câmpului magnetic aplicat de aprox. 25 de ori pe secundă. O altă modalitate de a exprima acest lucru este că senzorul are o rată de eșantionare de 25 Hz. Acest lucru este suficient de rapid pentru multe tipuri de comenzi de interfață-utilizator. Totuși, pentru câteva dispozitive de interfață-utilizator, cum ar fi tastaturile pentru computer, un timp de răspuns de 40 ms poate fi suficient de lung pentru a schimba simțul general al interfeței.

O aplicație în care o rată de eșantionare de 25 Hz ar fi probabil inacceptabilă este cea în care dispozitivul este utilizat împreună cu un magnet inel ca senzor de viteză. Nu este greu de imaginat situații în care la senzor se prezintă mai mult de 25 de poli/secundă. Chiar și în cazurile în care sunt utilizați câțiva magneți discrete, rata scăzută de eșantionare face ca un magnet să se "furișeze" nedetectat de senzor.

Allegro A3210 include, de asemenea, circuite de cicluri de alimentare, dar include o caracteristică suplimentară care îl face foarte ușor de utilizat ca înlocuitor pentru comutatoarele reed magnetice. Unde majoritatea comutatoarelor cu efect-Hall comută ON ca răspuns la un pol particular al unui magnet, de obicei polul Sud, A3210 va comuta ON ca răspuns fie la un pol nord, fie la unul sud. Acest tip de comportament omnipolar înseamnă că nu contează în ce fel ați pus magnetul într-un ansamblu, deoarece senzorul va comuta ON când se apropie oricare pol magnetic. Curba de răspuns magnetic pentru acest dispozitiv este prezentată în Figura 9-2.

Fig. 9-2: Curba de histerezis pentru A3210 omnipolar.

Comportamentul omnipolar al lui A3210 este extrem de valoros atunci când se utilizează dispozitive în medii de producție cu volum mare, deoarece montarea nu este sensibilă la orientarea magnetului. Multe ansambluri vor folosi magneți tijă sau bară care sunt mecanic simetrici față de poli, ceea ce înseamnă că se pot încadra într-un ansamblu mai mare în două orientări. Cu ajutorul comutatoarelor cu efect-Hall tradiționale sensibile la polul sud, una dintre aceste orientări posibile va avea ca rezultat un ansamblu nefuncțional. Deoarece modelul A3210 va răspunde la fiecare pol, un magnet bară poate fi introdus în ansamblu fie în direcția orientată spre nord sau spre sud, iar ansamblul va funcționa în continuare.

9.2 Comutatoare cu două fire

Transmiterea semnalelor de date sub forma unui curent, spre deosebire de o tensiune, conduce deseori la o imunitate mai mare la sursele externe de zgomot electric. Din acest motiv, metode de semnalizare, cum ar fi "bucla de curent de 4-20 mA", sunt populare în medii zgomotoase, cum ar fi podelele din fabrică. Un alt avantaj al semnalizării cu buclă de curent este că, dacă senzorul poate fi alimentat de o tensiune aplicată pe cablurile de transmisie, sunt necesare numai două fire (V+, V-), spre deosebire de triada VCC, GROUND, OUTPUT cerută de schemele de semnalizare în tensiune.

Atât datorită imunității îmbunătățite la zgomot, cât și a economiilor oferite de lipsa unui cablu, numeroase aplicații auto se mută la sisteme de semnalizare cu două fire. În consecință, mai mulți furnizori de senzori cu efect-Hall oferă acum switch-uri integrate cu efect-Hall cu două fire.

Deși se poate converti un tip standard de trei fire de comutator Hall într-un dispozitiv cu două fire prin adăugarea de circuite externe, există diferite dezavantaje la această abordare. În cel mai simplu caz, un rezistor poate fi legat între VCC și OUTPUT, așa cum se arată în Fig. 9-3. Când dispozitivul comută ON, rezistorul este tras la masă prin ieșirea dispozitivului și consumă curent suplimentar. Dar, magnitudinea acestui curent de stare ON va varia liniar cu tensiunea de alimentare. Deși pot fi adăugate circuite suplimentare pentru a face curentul de stare ON mai puțin dependent de alimentare, componentele suplimentare pot deveni scumpe, iar acest lucru nu are nici un efect asupra curentului de stare OFF, care va depinde de curentul static al senzorului.

Fig. 9-3: Conversia unui comutator cu efect-Hall cu trei fire într-un comutator cu două fire.

Senzorii Hall integrați cu două fire, pe de altă parte, furnizează curenți bine specificați pe starea ON și starea OFF. Acest lucru facilitează proiectarea circuitelor de interfață care pot citi în mod fiabil starea acestora, în pofida variației de alimentare, temperatură și fabricație. Melexis 90223 este un exemplu de comutator cu efect-Hall cu două fire. O reprezentare funcțională a diagramei bloc a acestei părți este prezentată în Fig. 9-4.

Fig. 9-4: Melexis MLX90223 comutator cu efect-Hall cu două fire.

Când dispozitivul nu are aplicat niciun câmp și este în stare ON, curentul consumat prin borna VCC variază de la 3,9 la 6,9mA. Când câmpul magnetic aplicat depășește BOP (tipic de 60 gauss), sursa de curent de ieșire este comutată ON, crescând curentul extras de la borna VCC între 11 și 19,4 mA.

Un circuit simplu pentru interfața cu un MLX90223 este prezentat în Fig. 9-5. Ieșirea acestui circuit este compatibilă cu intrările logice TTL sau CMOS. Pentru convertirea curentului de alimentare în tensiune se utilizează un rezistor de 51Ω. Această tensiune este apoi trimisă într-un comparator, unde este comparată cu o tensiune de prag echivalentă cu 9 mA de curent (9 mA x 51Ω = 459 mV). Aceasta reprezintă o valoare la jumătatea distanței dintre nivelul maxim de curent de stare OFF (6,9 mA) și nivelul minim al curentului de stare ON (11 mA).

Fig. 9-5: Circuit pentru interfața cu un întrerupător cu două fire MLX90223.

Într-o aplicație reală și în funcție de mediul de operare, se pot adăuga circuite suplimentare pentru a asigura filtrarea zgomotului și protecția împotriva interferențelor electromagnetice (EMI) și descărcărilor electrostatice (ESD). O cantitate mică de histerezis adăugată la comparator va reduce gradul la care apar tranziții false la ieșirea sa (datorită diferitelor surse de zgomot). În cele din urmă, cu unele modificări, în special în tensiunea furnizată senzorului și nivelul de prag HIGH/LOW, acest circuit poate fi adaptat pentru utilizarea cu alți senzori cu două fire. Deoarece sistemele cu două fire sunt din ce în ce mai populare, mai mulți furnizori de IC cu efect-Hall oferă acum senzori cu două fire. Tabelul 9-1 prezintă câteva dintre aceste oferte:

Tabelul 9-1: Comutatoare cu efect-Hall cu două fire.

9.3 Dispozitive de alimentare

Deși metodele de acționare a lămpilor cu incandescență și a releelor ​​au fost evidențiate în Capitolul 5, aceste abordări necesită utilizarea componentelor discrete externe. Deși acest lucru este acceptabil în multe situații, utilizarea componentelor externe poate avea ca rezultat un model atât fizic mare cât și relativ scump. Amestecurile suplimentare de lipire necesare pot reduce în mod semnificativ fiabilitatea unui model.

Comutatorul cu efect-Hall de curent mare Allegro UGN5140, asigură un mijloc cu un singur cip de a acționa mici lămpi și sarcini electromecanice. Oferă o ieșire colector deschis, capabilă să absoarbă până la 600 mA. Acesta oferă și o diodă fly-back integrantă, utilizată la acționarea sarcinilor inductive, cum ar fi relee și solenoizi. Fig. 9-6 prezintă o reprezentare schematică a UGN5140.

Fig. 9-6: UGN5140 Comutator cu efect-Hall de curent ridicat.

UGN5140 oferă, de asemenea, două caracteristici care ar fi relativ dificil și costisitor de realizat într-un driver de putere discret. Prima dintre acestea este limitarea curentului de ieșire. În cazul unei situații de scurtcircuit sau a unei situații similare de supracurent la ieșire, dispozitivul își limitează curentul de ieșire absorbit la un prag prestabilit (în mod obișnuit 900 mA). Acest lucru este util atunci când se acționează sarcini ca lămpi incandescente (potențial câțiva amperi), deoarece împiedică curentul de amorsare al filamentului-rece al lămpii să deterioreze senzorul. A doua caracteristică este o oprire termică. Dacă temperatura internă a plăcii UGN5140 depășește 165^oC (nominal), ieșirea senzorului se întrerupe. Combinată cu limitarea curentului de ieșire, caracteristica este utilă pentru a permite senzorului să supraviețuiască diferitelor tipuri de condiții de defecțiune la ieșire, cum ar fi scurtcircuitele.

9.4 Power + Brains - Control Smart Motor

Melexis US79 este un exemplu extrem pentru un IC Hall specific-aplicației în sensul că a fost proiectat să efectueze o singură sarcină: să ofere funcții de comandă și acționare-de putere pentru un mic motor de curent continuu fără perii cu 2 înfășurări. Acest tip de motor este frecvent utilizat în ventilatoarele de răcire găsite în aproape toate calculatoarele personale. Un ventilator DC tipic fără perii, dezasamblat pentru a expune motorul, senzorul Hall și electronica de acționare sunt prezentate în Fig. 9-7.

Fig. 9-7: Ventilator DC fără perii utilizând senzor cu efect-Hall (foto de la Melexis USA).

Motoarele DC fără perii funcționează utilizând mai multe înfășurări fixe pentru a genera câmpuri magnetice care deplasează un magnet încorporat în rotor, determinând rotorul să se rotească. Pentru a menține rotația continuă, înfășurările trebuie să fie alimentate și deconectate în anumite momente, în funcție de poziția rotorului. O modalitate de a face acest lucru este să utilizați un senzor cu efect-Hall pentru a detecta poziția magnetului rotor. Această informație este apoi utilizată pentru a determina care înfășurare se alimentează la un moment dat. Acest proces de comutare a înfășurărilor ON și OFF pentru a face rotirea motorului se numește comutație. Fig. 9-8 prezintă o schemă a modului în care US79 este utilizat pentru a acționa cele două înfășurări ale unui ventilator fără perii. Nu sunt necesare alte componente electronice.

Fig. 9-8: Schema lui US79 utilizată pentru a acționa un mic motor DC fără perii.

În mod tradițional, într-un motor ventilator DC fără perii, comutația este realizată cu un senzor cu efect-Hall și numeroase componente discrete. Deși această abordare funcționează rezonabil de bine, există mai multe domenii pentru posibile îmbunătățiri, care sunt abordate de US79. Primul este reducerea numărului de componente. În timp ce costul componentelor individuale utilizate într-un model discret poate să nu fie foarte mare, pentru un articol cu ​​volum mare, cum ar fi un ventilator de răcire, chiar și câțiva bani contează. Fiecare componentă discretă utilizată adaugă, de asemenea, costul de montaj. Costurile de montaj, în unele cazuri, pot depăși costurile componentelor. Prin înlocuirea a 8 până la 15 componente discrete cu un singur dispozitiv, US79 poate face modelul mai rentabil.

Un al doilea avantaj al unei soluții extrem de integrate, cum ar fi US79, este creșterea gradului de fiabilitate. Reducerea numărului de pachete componente și a numărului de conexiuni de lipire poate duce la o creștere semnificativă a timpului mediu între defectări a sistemului (MTBF). Într-o aplicație cum ar fi ventilatorul de răcire a calculatorului, defectarea ventilatorului poate provoca defecțiuni suplimentare ale altor componente prin supraîncălzire. Deci, chiar dacă ventilatorul poate fi ieftin și ușor de înlocuit, defectările ulterioare ale altor părți pot fi considerabil mai costisitoare, impunând cerințe înalte de fiabilitate asupra ventilatorului.

În cele din urmă, un alt avantaj oferit de o soluție integrată asupra unei soluții discrete este că inteligența semnificativă poate fi plasată pe siliciu într-un IC la un cost incremental foarte mic. În cazul US79, aceasta include capacitatea de a recunoaște și de a răspunde în mod corespunzător la diferite condiții de defectare. Pentru un ventilator DC, unul dintre cele mai comune moduri de defectare este ca rotorul să se blocheze mecanic. Această stare este menționată ca o condiție de rotor blocat. Dacă circuitul de comutație continuă să aplice o alimentare continuă la un rotor blocat, se poate produce supraîncălzire potențial periculoasă, fie în bobinele motorului, fie în circuitul driver. Prin faptul că este capabil să recunoască o condiție de rotor blocat, US79 este capabil să nu țină ventilatorul suprasolicitat. În plus, US79 va încerca periodic să repornească ventilatorul, astfel încât, dacă rotorul ventilatorului va fi eliberat, ventilatorul va relua funcționarea normală. Efectuarea acestor funcții cu un circuit discret ar fi complexă și probabil nu este fezabilă din punct de vedere economic.

Acest capitol a descris câțiva dintre senzorii cu efect-Hall specifici pentru aplicații, care sunt disponibili comercial. Pe măsură ce se dezvoltă noi aplicații, există sigur că vor fi mai multe tipuri noi de astfel de dispozitive oferite în viitor.