Front-end do czujnika Halla

Transkrypt

1 Front-end do czujnika Halla Czujnik Halla ze względu na możliwość dużej integracji niezbędnych w nim komponentów jest jednym z podstawowych sensorów pola magnetycznego używanych na szeroką skalę. Marcin Lara Jakub Niedźwiedź Łukasz Nowak

2

3 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 się w obecności pola magnetycznego działa siła Lorentz a zgodnie z zależnością: r F = e r r ( v B)

4 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 sytuację można opisać następująco: e r E H = e r r ( v B)

5 Rys. Schemat obrazujący efekt Halla.

6 Dalej, ponieważ napięcie pomiędzy dwoma punktami w polu elektrycznym jest równe iloczynowi natężenia tego pola i odległości pomiędzy punktami, mamy: V H = E H d = v B d, wyrażając napięcie Halla przez natężenie prądu: V H = R H jbd = R H I d h Bd = R h H BI, R H gdzie to tzw. stała Halla.

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

8 Rys. Sensor wykorzystujący efekt Halla.

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

10 Rys. Układ aplikacji czujnika.

11 Jak silne pole magnetyczne generują urządzenia codziennego użytku?

12 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 1000 gaussów, 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.

13 Realizacja projektu Naszym zadaniem było zaprojektowanie układu kondycjonującego sygnał z czujnika Halla 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 w mikrokontlolerze jest przystosowane do napięć z zakresu od 0V do 2.5V. Należało zatem przeskalować oraz przesunąć sygnał z czujnika.

14 Rys. Schemat mniejszej płytki (A).

15 Rys. Schemat większej płytki (B).

16 Wyniki symulacji, a pomiary końcowe. W wyniku przeproadzonych symulacji udało nam się uzyskać zadowalające przebie potwierdzające poprawność projektową. Zostały one zamieszczone poniżej: Rys. Przebiegi w układzie symulacyjnym.

17 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.

18 Na następnych slajdach zamieszczamy otrzymane przebiegi, które są zadowalające i świadczą o poprawności działania układu. Pierwszy z nich przedstawia sygnał na wejściu układu (sygnał z czujnika), poniżej znajduje się zdjęcie przebiegu z wyjścia układu, gdzie jak widać sygnał wejściowy został poprawnie przeskalowany i przepoziomowany.

19

20

21 Wpływ natężenia prądu płynącego przez element Halla oraz pomiar krzywej cechowania układu z czujnikiem

22 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 wpływy natęzenia prądu płynącego na przewodnik Halla na 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 większą stromość krzywej odpowiadającej zasilaniu czujnika większym napięciem.

23 Krzywa cechowania układu z czujnikiem Halla

24 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

25 Dziękujemy