Обзор магниторезистивных полупроводниковых датчиков
NXP Semiconductors
|
Магниторезистивные датчики фирмы NXP Semiconductors разработаны на основе эффекта изменения ориентации намагниченности М внутренних доменов в слое пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля H. Сопротивление пермаллоя зависит от угла (a) между направлением тока и вектором намагниченности M (см. рис.1). Так, если угол равен 90°, то сопротивление датчика минимально. С уменьшением угла вплоть до 0° сопротивление возрастает.
Рисунок 1. Принцип магниторезистивного эффекта.
Магниторезистивные датчики компании NXP имеют следующие особенности:
датчики реагируют на направление поля, а не на силу поля, как в эффекте Холла (Hall-Effect);
чувствительной зоной в сенсоре является область с максимальным насыщением напряженности поля, поэтому достигаются: независимость от магнитного дрейфа (life time); независимость от механических допусков (расстояния между магнитом и датчиком); независимость от механических изменений, вызванных тепловым напряжением; высокая стабильность по температуре; расширенный температурный диапазон от –40°C до +160°C.
Магниторезистивные датчики могут с успехом применяться для:
измерения частоты вращения (АБС, КПП, управление двигателями и т.д.);
измерения угловой координаты (посудомоечные машины, робототехника, вильчатые подъемники, регулируемые сидения, рулевое управление, регулировка фар и т.д.);
Типы сенсоров NXP , произведенных по магниторезистивной технологии.
Измерение частоты вращения.
Принцип измерения частоты изображен на рисунке 2. На нем видно, что сигнал с выхода датчика изменяется в зависимости от положения зубца металлической шестеренки, т.к. меняется направление линий магнитного поля. Таким образом, на каждый зуб шестеренки приходится один период изменения сигнала с выхода датчика. Обработав такой сигнал аппаратными или программным способом, можно легко подсчитать частоту вращения металлической детали с зубцами.
Рисунок 2. Принцип измерения частоты.
Для измерения частоты вращения предназначаются датчики KMI15, KMI16, KMI18.
Датчики поставляются в комплекте с магнитом.
Таблица 1. Датчики для измерения частоты вращения
Тип |
Рабочий зазор, мм |
Размер магнита , мм |
Рабочая температура , °C |
Тип выхода |
Корпус |
KMI15/1 |
2,5 |
8,0 x 8,0 x 4,5 |
–40...85 |
токовый |
SOT453 |
KMI15/4 |
2 |
5,5 x 5,5 x 3,0 |
–40…85 |
токовый |
SOT454 |
KMI15/2 |
2,5 |
3,8 x 2,0 x 0 , 8 |
–40…85 |
токовый |
SOT455 |
KMI16/1 |
2,5 |
8,0 x 8,0 x 4 ,5 |
–40…150 |
откр коллектор |
SOT477 |
KMI18 /2 |
2,5 |
3,8 x 2,0 x 0 , 8 |
–40…150 |
откр коллектор |
SOT477 A |
KMI18 /4 |
2,5 |
5,5 x 5,5 x 3 , 0 |
–40…150 |
откр коллектор |
SOT477 A |
Измерение угловой координаты.
Принцип измерения углов и выходной сигнал сенсора показан на рисунке 3. Видно, что сигнал имеет форму синуса. Благодаря этому датчик позволяет измерять углы в диапазоне ±45°. Если же взять два датчика и разместить их под углом 45° относительно друг друга, то на выходе такого сенсора будет два сигнала – синус и косинус, что позволит расширить диапазон измеряемых углов до ±90°.
Рисунок 3 Принцип измерения угловой координаты.
Для измерения углового положения производятся датчики KMZ41, KMZ43 и KMA200, KMA199E.
Обработку сигналов с датчиков KMZ41, KMZ43 рекомендуется выполнять на чипах UZZ9000 и UZZ9001. Например, связка из KMZ41 и UZZ9000 позволяет добиться следующих результатов:
механическая надежность;
диапазон измеряемых углов ±90 °;
высокая точность: абсолютная ошибка 0,6° – 1,2° (зависит от температуры);
относительная ошибка менее 0,6%; разрешение более 0,05°. |
|
Наиболее эффективными из датчиков углового положения компании NXP являются программируемые сенсоры KMA200 и KMA199E. Они содержат не только чувствительные элементы, но и сигнальный процессор. Сенсоры KMA 200 и KMA199E рекомендуется для автомобильных применений: контроля углового положения дросселя и педалей в автомобиле.
Отличительные особенности KMA200:
защита от переплюсовки питания до 16,5В
максимальное превышение напряжения 32В (400мс)
отключение функций при превышении напряжения питания
4 аналоговых и 2 цифровых выхода (конфигурируемых пользователем)
EEPROM (программируемая пользователем)
автоматическая настройка смещения нуля
Программируемый диапазон измерения угла до 180°
Диапазон рабочих температур от –40°С до +160°С
Подстройка смещения нуля
Встроенная диагностика «на ходу» для всех основных функциональных блоков
Функция отключения при постоянном превышенном напряжении
Функции диагностики:
• Контроль потери магнита
• Контроль температуры
• CRC для EEPROM и RAM
• Детектор сбоя генератора
• Сторожевой таймер |
|
Ввиду того, что для некоторых приложений KMA200 выглядит несколько избыточным (не всегда нужны расширенные функции диагностики и защита от перенапряжения и переполюсовки), был разработан упрощенный датчик KMA 199Е.
Основные отличия KMA199Е от KMA200:
отсутствие диагностики (только CRC)
1 аналоговый выход (цифровой отсутствует)
Нет защиты от перенапряжения и переполюсовки
3-х выводной корпус
Более низкая стоимость
Сравнение KMA200 и KMA199E
|
KMA200 |
KMA199E |
Защита от перенапряжения |
26,5 В |
Гальваническая развязка отсутствует. Импульсы спарены. |
Защита от переполюсовки |
- 16,5 В |
Гальваническая развязка отсутствует. Импульсы спарены. |
Количество выходов |
2 аналог. / 1 цифр. |
1 аналог. |
Рабочая температура |
-40 .. +160 ° С |
-40 .. +160 ° С |
Линейная погрешность |
±1,65 ° |
±1,55 ° |
Функции диагностики |
Полный набор функций |
CRC при включении
Контроль потери магнита
Контроль потери питания
|
Подводя итоги, хочется порекомендовать, российским инженерам более активно использовать разнообразные сенсоры в своих разработках. Одним из хороших примеров может служить отечественный автопром, где наконец-то все чаще активно используются разработки в области электронной техники. Будем надеяться, что это обстоятельство позволит улучшить потребительские качества отечественных автомобилей в ближайшем будущем. Так, например, несколько компаний уже выпускают датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) на сенсоре KMA199. Об этом можно почитать на http://www.zr.ru/articles/44140.
Владимир Захаров