Normalmente, no processo de uso do joystick, existem duas maneiras de obter o sinal de saída analógico: forma do sensor Hall e tipo potenciômetro.
1, Este artigo visa esclarecer o princípio básico de implementação do sensor Hall, as diferenças, vantagens e desvantagens entre Hall 2D e Hall 3D.
Definição de Efeito Hall:
O efeito Hall foi descoberto pelo físico Hall em 1879. Ele define a relação entre o campo magnético e a voltagem induzida. Este efeito é completamente diferente da indução eletromagnética tradicional.
——Imagem da Internet
Como mostrado acima, quando uma corrente elétrica passa por um condutor localizado em um campo magnético (a superfície sombreada), o campo magnético exerce uma força nos elétrons do condutor perpendicular à direção do movimento dos elétrons, resultando em uma diferença de potencial em ambas as direções perpendiculares ao condutor e à linha de indutância magnética.
Quando um campo magnético perpendicular à direção da corrente é aplicado ao semicondutor, elétrons e buracos no semicondutor serão atraídos pela força de Lorentz em diferentes direções e agregados em diferentes direções. O campo elétrico será gerado entre os elétrons e buracos reunidos. Depois que a força do campo elétrico e a força de Lorentz estiverem equilibradas, elas não se agregarão mais. Nesse caso, o campo elétrico fará com que os elétrons e buracos subsequentes fiquem sujeitos à força do campo elétrico e equilibra a força de Lorentz gerada pelo campo magnético, de modo que os elétrons e buracos subsequentes possam passar suavemente sem desvio, que é o efeito Hall . A diferença de tensão entre os dois lados é chamada de tensão de Hall.
Diagrama esquemático
O elétron cria uma diferença de potencial no campo magnético resultando em uma força de Lorentz
Força de Lorentz F=qE mais qvB/c
Então o campo Hall
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Aplicação do Efeito Hall:
Embora o efeito Hall tenha sido descoberto anteriormente, ele foi limitado pelo desenvolvimento de ímãs constantes e componentes eletrônicos. Os sensores Hall apareceram pela primeira vez por volta da década de 1970.
O sensor Hall básico é projetado como um circuito integrado de chip Hall altamente confiável, empacotando o chip de circuito de material de cristal único de silício em uma estrutura de embalagem hermética.
No entanto, devido a problemas de projeto de circuito, o chip Hall usado pela primeira vez produzirá grandes mudanças de tensão devido ao desvio de temperatura, que não pode ser aplicado no ambiente industrial real.
Mais tarde, até por volta da década de 1990, algumas empresas, como a MLX, usaram circuitos de compensação de temperatura para compensar a influência dos parâmetros relacionados à temperatura na fórmula de cálculo do campo magnético, para que o campo magnético não mudasse com a temperatura. Além disso, o chip Hall realizou operação programável, que não precisa adaptar a saída analógica definida pelo chip Hall aos requisitos de uso e amplia muito o cenário de uso e o escopo do chip Hall.
O chip Hall começou a ser amplamente utilizado em ambientes industriais e de veículos, usado para julgar os parâmetros de deslocamento e ângulo de rotação e convertê-los em saída analógica.
Seguindo a MLX Company, muitos fabricantes de circuitos integrados no país e no exterior se juntaram ao desenvolvimento do chip Hall. O chip Hall convencional usado agora geralmente é feito de vários chips Hall sobrepostos para julgamento de redundância, o que melhora muito a resolução e a precisão da saída analógica.
Utilização de Hall no punho:
As primeiras alças industriais alcançaram saída analógica através da estrutura rotativa da alça, que empurrava a bala para acionar a válvula hidráulica. Haverá deficiências no controle inteligente e no projeto lógico, e o dispositivo hidráulico inevitavelmente apresentará fenômeno de vazamento de óleo, que não pode ser usado em locais com requisitos de alto nível de poluição ou em locais que exijam um ambiente limpo.
Uso hidráulico da forma de bala
——Imagem da Internet
Hall foi usado pela primeira vez em joysticks pela Danfoss, um fabricante alemão. Seus principais produtos são JS1, JS1000 e assim por diante.
Fabricantes de chips Hall são comumente usados no identificador, incluindo MLX, TI, McGahn e assim por diante.
Existem diferenças entre o salão plano 2D e o salão 3D de acordo com os diferentes métodos de uso.
Diferença entre Hall 2D e Hall 3D:
Normalmente, o uso de Hall no punho é dividido em rotativo e deslocamento e balanço. O tipo rotativo é 2D Hall, e o tipo deslocamento e giro é 3D Hall.
* Observe o uso de aço magnético:
Independentemente da forma do Hall, existem dois requisitos de controle críticos para alcançar a estabilidade do trabalho do Hall.
A primeira é a distância entre o aço magnético e o centro de Hall, que varia de acordo com os diferentes modelos de chip de Hall. É geralmente cerca de 1 ~ 5 mm.
O segundo é o tamanho da magnetização do aço magnético, de acordo com o modelo do chip Hall é diferente, geralmente em dezenas de mT a centenas de mT.
Se um dos dois parâmetros estiver fora do intervalo ou o desvio for grande, isso causará instabilidade no chip Hall, resultando em mutação de saída ou desvio de saída.
Além disso, em geral, o aço magnético não causará desvio de saída devido à desmagnetização durante seu uso a longo prazo, e seu parâmetro principal é a coercividade do aço magnético. A coercividade refere-se à intensidade de indução magnética B não retorna a zero quando o campo magnético externo retorna a zero após a magnetização de saturação de materiais magnéticos. Somente adicionando um campo magnético de um determinado tamanho na direção oposta ao campo de magnetização original é que a intensidade da indução magnética pode retornar a zero, o que é chamado de campo magnético coercitivo ou força coercitiva.
Em geral, a coercividade do aço magnético requer Hcb maior ou igual a 850KA/m; Coercividade intrínseca Hcj Maior ou igual a 955KA/m. O principal fator de influência é o material do aço magnético. Geralmente, a coercividade do material de ferrite é pequena, o que levará à desmagnetização do aço magnético por um longo tempo. E a coercividade do material NdFeb é maior, geralmente alta temperatura não a longo prazo (acima de 60 ~ 80 graus) sob as condições de uso, o uso de cerca de cinco a dez anos é mais do que suficiente.
O aço magnético usado para o cabo geralmente é o aço magnético N35 Ndfeb.
Outros elementos controlados do aço magnético são a remanência Br e o produto de energia magnética máxima BH(max).
1. Tipo rotativo:
O Rotary Hall geralmente é definido no centro do eixo de rotação e a direção da magnetização é radial. Quando o eixo do manípulo é girado, a tensão Hall é gerada devido à mudança no fluxo magnético através do sensor Hall.
As vantagens deste método de utilização são:
1. Boa simetria de tensão;
2. Baixa dificuldade de realização;
3. No caso de alça de eixo duplo, a interferência do eixo XY é pequena;
4. A alça de eixo único ocupa menos espaço.
5. Baixa dificuldade de magnetização.
6. O ângulo de rotação pode ser grande (menos de 360 graus)
As desvantagens são:
1. Quando a alça de eixo duplo é realizada, ela precisa ocupar um espaço relativamente grande;
2. Deve ser utilizado no centro de rotação.
Tipo de rotação
1. Fórmula de deslocamento:
Normalmente, o uso de deslocamento também é o uso de Hall 3D, como o chip MT1531 da primeira bandeira. Normalmente, a direção da magnetização é radial. Desta forma, o campo magnético do aço deve ter um fluxo magnético de 0mT no ponto médio, que é máximo em ambos os lados. Quando o aço magnético é magnetizado dessa maneira, é necessário ter requisitos de uniformidade de magnetização em ambos os lados da fita de aço magnético ou do aço magnético curvo. Se o tamanho magnético for diferente, a distribuição do fluxo magnético será desigual, resultando no desvio linear da saída em ambos os lados quando o cabo for agitado.
Vantagens:
1. A estrutura é simples e o preço do corredor de deslocamento é baixo;
2. A fase estrutural do aço magnético que é difícil de colocar no centro de rotação é melhor;
3. Estrutura flexível, pode fazer mais variedades de estrutura.
Desvantagens:
1. O aço magnético precisa de simetria de magnetização;
2. Em geral, é muito difícil realizar a simetria linear da fórmula de deslocamento;
3. O ângulo de rotação não deve ser muito grande; (geralmente não superior a 40 graus)
——Imagem da especificação MLX90333
1. Tipo de balanço:
Oscillating Hall é uma realização comum do hall biaxial. Ele realiza a saída de eixo duplo ou mesmo multieixo de um chip, sobrepondo vários chips Hall em um sensor Hall.
Normalmente, a direção da magnetização do aço magnético é a magnetização axial, e a magnetização axial do aço magnético circular reduzirá bastante a dificuldade de magnetização.
——Imagem da especificação MLX90333
Para sensores Hall, embora um único chip 3D seja mais caro que um chip 2D, o custo de implementação de uma saída biaxial é relativamente menor do que usar dois chips 2D.
Vantagens:
1. O aço magnético tem baixa dificuldade de magnetização. Baixa dificuldade de montagem;
2. O custo de realização biaxial é baixo;
3. O espaço horizontal do cabo é menos ocupado;
Desvantagens:
1. O requisito de deslocamento do remendo Hall é relativamente alto, e o requisito de deslocamento do SMT geralmente não é mais do que 1/2 do pé de solda; Caso contrário, haverá uma grande interferência biaxial (isto é, ao empurrar um eixo, o outro eixo apresenta flutuações de saída, o 3D Hall não pode evitar a interferência biaxial, mas geralmente dentro da faixa de desvio de saída é considerado qualificado)
2. O custo de obtenção de saída uniaxial será maior;
3. O ângulo de rotação é menor que o tipo de deslocamento (geralmente não superior a 30 graus);
O identificador HJ8 de Shanghai Chen Gong Electric Control usa o Hall 3D de MLX90333.
Ii. Fatores que afetam o desvio de saída de Hall:
De um modo geral, os fatores que afetam a tensão de saída Hall são principalmente os seguintes motivos. De um modo geral, como o chip raramente fica ruim, as causas do desvio da tensão de saída são analisadas principalmente a partir das mudanças no fluxo magnético:
1. Mudanças no fluxo magnético causadas pelo aço magnético:
O aço magnético alterará o fluxo magnético e, portanto, a tensão de saída devido a vários motivos, como:
A. A proteção deficiente leva à adsorção de pó de ferro no aço magnético, resultando na alteração do fluxo magnético.
B. A fixação inadequada do aço magnético leva ao afrouxamento do aço magnético;
C. Existem rachaduras ocultas quando o aço magnético é rebitado ou fixado, o que pode levar a rachaduras e mudanças no fluxo magnético após altas e baixas temperaturas.
Formas de evitar:
Esses fatores precisam ser analisados e as medidas de melhoria acompanhadas na FEMA do projeto e processo.
2. Mudanças no fluxo magnético causadas por causas externas:
Geralmente, o fluxo magnético através do chip Hall muda devido a flutuações do circuito causadas por campo magnético externo ou impacto de tensão, afetando assim a saída.
Formas de evitar:
O teste EMC foi realizado e a blindagem foi usada para aumentar a blindagem do chip Hall.
3. Desvio de saída causado pela estrutura mecânica:
Após o uso prolongado, o aumento da folga mecânica leva ao aumento do desvio de saída.
Formas de evitar:
Otimize o projeto estrutural.
4. Fonte de alimentação não regulada de tensão de entrada externa:
De um modo geral, a tensão nominal de entrada Hall do fabricante da alça Hall é 5.0Vdc±0.5V, mas, na prática, essa tensão refere-se à tensão que aciona o sensor Hall. Se o valor da tensão de saída de calibração for 0,5~2,5V~4,5V de saída, tensão de entrada de 5,5V, então a tensão de saída média será de 2,75V, além da faixa dos requisitos médios. Portanto, os clientes geralmente são instruídos a usar uma fonte de alimentação regulada. O desvio da fonte de alimentação é geralmente ±0.2V com condições na melhor faixa de ±0.1V.