Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
SterControl
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Sensory pozycji - przegląd

ghost666 08 Lis 2016 14:30 1683 0
  • Sensory pozycji - przegląd
    Firma Allegro jest wiodącym dostawcą cyfrowych sensorów pozycji, wykorzystujących przełączniki, zatrzaski i inne elementy oparte na efekcie Halla. Jakkolwiek układy te są cały czas udoskonalane, to podstawy ich architektury od dawna są znane, a zasady ich działania nie zmieniły się wiele. Z początku korzystano głównie z elementów pracy ciągłej, ale unowocześnienia w tym sektorze sprawiły, że sensory te ewoluowały w układy zdolne do pracy impulsowej.

    Allegro, jak i inni dostawcy, oferuje szeroką gamę sensorów, dostosowanych do różnych aplikacji. Jakkolwiek inżynierowie firmy są do dyspozycji klientów to dobrze, aby samemu także znać podstawowe cechy tego rodzaju sensorów i umieć dobierać je do poszczególnych aplikacji w urządzeniach. Poniższy poradnik ma za zadanie przedstawić zasadnicze różnice w podstawowych parametrach sensorów pozycji pracujących w trybie ciągłym oraz impulsowym.

    Impulsowe vs. ciągłe - jakie są różnice?

    Zasadniczo sensory impulsowe oferują lepszą stabilność temperaturową i odporność na naprężenia. Dodatkowo elementy te łatwiej integruje się z obecnie używanymi układami elektronicznymi. Większość sensorów stabilizowanych impulsowo wykonywana jest z wykorzystaniem nowoczesnych technik produkcji urządzeń półprzewodnikowych. Dzięki temu układy te oferowane są w bardzo małych obudowach, idealnych do miniaturowych aplikacji. Poniższa tabela podsumowuje różnice w podstawowych parametrach pomiędzy tymi dwoma rodzajami sensorów pozycji.

    ParametrImpulsowePracy ciągłej
    Zakres punktów pracy pola magnetycznegoTakTak
    Typowe obudowy SOT23 (LH), SIP-3 (UA)SOT23 (LH), SIP-3 (UA)
    Tor sygnałowyBardziej skomplikowanyMniej skomplikowanuy
    Konfiguracja sensora HallaPojedynczy, podwójny i innePojedynczy
    Polaryzacja sensora HallaImpulsowaStała
    Trimming required in Allegro production?NieTak
    Stabilność temperaturowaBOP/RPDobraBardzo dobra
    Odporność na naprężeniaBardzo dobraDobra
    Gotowość do pracy po załączeniui zasileniaSzybkoBardzo szybko
    Maksymalna częstotliwość pracyWtsokaBardzo wysoka
    Powtarzalność wyjścia / JitterDobraDobra
    Wbudowany oscylatorTakNie (tylko szczególne aplikacje)
    Typowa pojemność filtrująca0,1 μF 0,01 μF
    Rekomendowany do wszystkich aplikacji?Tak (wszystkie aplikacje)0Nie (tylko szczególne aplikacje)






    Wszystkie nowe, produkowane przez Allegro sensory pozycji zbudowane są w architekturze stabilizacji impulsowej i takie też elementy polecane są do wykorzystania we wszystkich projektach. Elementy pracy ciągłej oferują w pewnych aspektach lepsze parametry: odrobinę krótszy czas odpowiedzi oraz mniejszy jitter, aczkolwiek w większości aplikacji tych układów czynniki te nie są istotne.

    Czujniki pracy ciągłej poleca się jedynie do niektórych aplikacji, gdzie ich stosowanie ma uzasadnienie z uwagi na ich cechy szczególne. Aplikacje te to na przykład monitorowanie pozycji elementów, które szybko się poruszają czy też praca sensora z często włączanym i wyłączanym zasilaniem (np. w systemach zasilanych bateryjnie, albo tam, gdzie zasilanie od sensora odłącza się aby zmniejszyć jego samoogrzewanie).

    Mimo pewnych zalet sensory impulsowe są w większości lepsze, często nawet w opisanych powyżej szczególnych zastosowaniach ich zalety górują nad wadami. Mimo tego, warto znać ich podstawowe cechy i różnice pomiędzy tymi klasami sensorów.

    Sensory pracy ciągłej

    Sensory, które wykorzystują architekturę pracy ciągłej podczas pracy przepuszczają prąd przez element Halla tylko w jedną stronę, a prąd polaryzacji tego elementu jest stały. Umożliwia to szybką pracę elementu (niewielki czas odpowiedzi pomiędzy pojawieniem się zewnętrznego pola magnetycznego, a zmianą napięcia na wyjściu). Nie wymaga wielkich wyjaśnień w jaki sposób taka cecha jest korzystna dla układów elektronicznych. Na schemacie poniżej pokazano schemat blokowy tego rodzaju sensora.

    Sensory pozycji - przegląd


    Offset magnetyczny otoczenia zmienia się w czasie, co ma negatywny wpływ na stabilność progów przełączania sensora Halla w układzie (próg załączenia i wyłączenia: BOP i BRP). W układach o pracy ciągłej nie występują żadne układy pozwalające na kompensowanie zmian tego offsetu w czasie. Ma to wpływ na parametry tych układów - zakresy BOPi BRP podawane w kartach katalogowych są szersze dla układów o pracy ciągłej niż układy impulsowej.

    Sensory stabilizowane impulsowo

    Czynnikiem ograniczającym precyzję układów opartych na efekcie Halla jest niewielki poziom napięcia, jaki generowany jest przez tego rodzaju sensory. Sygnał użyteczny z sensora Halla jest nieproporcjonalnie mały w porównaniu do offsetu napięciowego, jaki mierzony jest na elemencie. Z uwagi na to precyzyjny pomiar sygnału magnetycznego w szerokim zakresie temperatur i napięć pracy jest problematyczny.

    Sensory pozycji - przegląd


    Impulsowy tryb pracy tych elementów wykorzystywany jest do poprawy tej sytuacji i zmniejszenia wpływu offsetu na pomiar. Opatentowana przez Allegro technologia dynamicznego, kwadraturowego usuwania offsetu usuwa z pomiaru kluczowe źródła offsetu i dryftu wywołanego temperaturą i naprężeniami materiału. Metoda ta opata jest na modulacji i demodulacji sygnałów z sensora. Dzięki temu sygnał użyteczny z elementu Halla odseparowywany jest od offsetu w przestrzeni częstotliwości dzięki modulacji. Sygnał z sensora jest następnie demodulowany, co z kolei moduluje offset i sprawia, że obserwowany jest on jedynie przy wysokich częstotliwościach. Sygnał użyteczny, po demodulacji, mierzony jest w jego normalnym pasmie poprzez filtr dolnoprzepustowy, który usuwa zmodulowany sygnał offsetu poza okno częstotliwościowe. Na schemacie blokowym powyżej zaprezentowano architekturę tego rodzaju układu.

    Tor sygnałowy w sensorze stabilizowanym impulsowo może wydawać się bardziej skomplikowany, ale nie ma w nim np. bloku kontroli (Trim Control), który zajmuje sporo miejsca w strukturze krzemowej i wymaga kalibracji układzie. Dzięki temu impulsowy układ scalony może być mniejszy i prostszy w aplikacji. Poniższa ilustracja obrazuje zasadę modulowania sygnału z elementu Halla, która pozwala na osiągnięcie tak wysokich parametrów.

    Sensory pozycji - przegląd


    W większości elementów produkowanych przez Allegro sygnał modulowany jest zegarem o częstotliwości 800 kHz. Aby go zdemodulować wykorzystany jest prostu układ próbkujący (sample-and-hold), pracujący z podwojoną częstotliwością modulacji. Tak wysoka częstotliwość pracy pozwala na szybkie próbkowanie pola przez sensor.

    Dzięki wykorzystaniu dynamicznego, kwadraturowego usuwania offsetu w układzie, w sygnale wyjściowym nie obserwuje się wpływu naprężeń czy temperatury na pomiar. Rezultatem tego jest niesamowicie stabilny stabilny sygnał wyjściowy z sensora i bardzo precyzyjna praca w szerokim zakresie temperatur. Dodatkowo, aby jeszcze poprawić parametry pracy, Allegro stosuje opracowany przez siebie proces produkcji w technologii BiCMOS, który zapewnia niskoszumny tor analogowy o niskim offsecie napięciowym.

    Czas odpowiedzi wyjścia (związany z czasem propagacji) oraz powtarzalność czasowa tego opóźnienia (jitter - szum fazowy) są generalnie wyższe w układach pracujących impulsowo, ale dzięki wykorzystaniu swojej technologii, w sensorach produkowanych przez Allego wpływ na te czynniki jest znikomy.

    Dodatkowo, z uwagi na fakt, że napięcie zasilania sensora Halla w układzie jest modulowane, zmienia się prąd pobierany przez sensor, co obserwowane jest jako okresowa zmiana prądu pobieranego przez cały układ. Z uwagi na to, sensory o pracy impulsowej wyposażone musza być w kondensatory filtrujące zasilanie o wyższej pojemności niż ich analogi pracujące ciągle.

    Parametry pracy

    Zaprezentowana poniżej tabelka pokazuje porównanie dwóch przykładowych sensorów firmy Allegro - impulsowego A1220 i o pracy ciągłej A1201 pod kątem tPO, czyli czasu po załączaniu zasilania po jakim sensor może poprawnie pracować. Pomiary zrealizowano dla pola - 50 G w temperaturze 25°C.

    ParametrPracy ciągłej (A1201)Impulsowy (A1220)
     tPO 1,94 μs 10,12 μs


    Czas załączania

    Czas załączania układu definiuje się jako czas pomiędzy momentem, gdy napięcie zasilające układ osiągnie odpowiedni poziom, a momentem w którym na wyjściu pojawią się poprawne dane. Aby wygenerować skok jednostkowy na wyjściu, wykorzystuje się niewielkie pole 10 G - zastosowanie większego zafałszuje pomiar i skróci czas załączania układu.

    W szeregu aplikacji krótszy czas załączania układów o pracy ciągłej może być dużą zaletą. Doskonałym przykładem jest tutaj system zasilany bateryjnie, w którym napięcie zasilania sensora jest okresowo odłączane z dużą częstotliwością, aby zmniejszyć średni pobór mocy i przedłużyć czas pracy na baterii. Im krótszy czas załączania układu, tym krótszy może być okres zasilania sensora, co przekłada się na minimalizację zużycia energii przez układ.

    Sensory pozycji - przegląd


    Czas odpowiedzi wyjścia

    Czas odpowiedzi wyjścia mierzy się jako czas od zmiany pola (skoku jednostkowego) do pojawienia się sygnału na wyjściu elektrycznym. Jakkolwiek układ o pracy ciągłej odpowiada szybciej, z uwagi na krótszy czas propagacji w prostszym torze analogowym sensora, to układ impulsowy i tak odpowiada w czasie zaledwie niecałych 12 mikrosekund (jak pokazano na ilustracji poniżej).

    Sensory pozycji - przegląd


    Czas odpowiedzi wyjścia jest istotny, ponieważ ogranicza maksymalną częstotliwość pracy układu. Maksymalna częstotliwość z jaką pracować może układ uzależniona jest m.in. od czasu odpowiedzi wyjścia oraz od pasma samego toru analogowego w systemie.

    Układy o pracy ciągłej odpowiadają na sygnał w czasie około 2 µs, co przekłada się na teoretyczną częstotliwość pracy do 250 kHz (z założeniem dwóch przejść przez zero na okres). Układy stabilizowane impulsowo charakteryzują się czasem odpowiedzi na poziomie 11,4 µs co przekłada się na częstotliwość pracy do 44 kHz. Jakkolwiek częstotliwość układów impulsowych jest sześciokrotnie niższa, to nie jest to czynnik ograniczający je w aplikacjach praktycznych, szczególnie, że realna maksymalna częstotliwość pracy tych układów ograniczona jest efektywnie pasmem toru sygnałowego, które jest niższe.

    ParametrElementImpulsowePracy ciągłej
     td –150 G - wyłączenie 11,4 μs 2,0 μs
     td 150 G - włączenke 9,9 μs  1,8 μs


    Innym istotnym w systemie czynnikiem jest zależność ilości biegunów magnesu, prędkością obrotu mierzonego obiektu oraz częstotliwością f. Zależność tą opisuje poniższe równanie:

    $$f = \frac {RPM \times P_P} {60 sekund}$$


    gdzie RPM to prędkość obrotowa w obrotach na minutę, a $$P_P$$ to ilość biegunów magnesu, która de facto definiuje maksymalną częstotliwość pracy układu z sensorem Halla.

    Jitter

    Powtarzalność wyjścia sensora, tj. różnica pomiędzy poszczególnymi wartościami zmierzonymi dla tej samej wartości pola w kolejnych pomiarach, zależna jest od stosunku sygnału do szumu i częstotliwości odświeżania (w systemach impulsowych). Jitter tyczy się tak zmierzonej wartości pola, jak i jego opóźnienia.

    Systemy pracy ciągłej dla stałego pola magnetycznego generują w zasadzie nie zmieniające się napięcie wyjściowe. Jego opóźnienie także jest pomijalne. W przypadku układów impulsowych, układ potrzebuje dwie lub więcej próbek sygnału, zanim odświeży wyjście. Ma to wpływ na szum fazowy układu, ponieważ próbkowanie może wypadać w różnym momencie przebiegu schodkowego pola. Szum fazowy zależny jest od częstotliwości próbkowania układu i ilości próbek potrzebnych.

    Na przykład w typowym układzie o częstotliwości modulacji 800 kHz i próbkowaniu 4x (prąd podawany na wszystkie cztery narożniki elementu Halla po kolei), częstotliwość odświeżania wyjścia sygnałowego opisana jest prostą zależnością:

    $$f_{refresh} = \frac {f_c}{wartość zależna od topologii} = \frac {800 kHz} {4} = 200 kHz$$


    Poniższy rysunek pokazuje przykłady zależności pomiędzy liczbą biegunów a wynikową częstotliwością. Jak widać magnesy z dużą liczbą biegunów ułożonych naprzemiennie będą generowany wyższą częstotliwość sygnału dla tej samej prędkości elementu. Niezależnie od tego, wszystkie te częstotliwości leżą w zasięgu pomiarowym elementów Halla produkowanych przez firmę Allegro.

    Sensory pozycji - przegląd Sensory pozycji - przegląd


    Częstotliwość 200 kHz przekłada się na odświeżanie sygnału co 5 µs, co po dodaniu opóźnień związanych z czasem propagacji daje opóźnienia od 6 do 12 mikrosekund dla typowego układu impulsowego.



    The repeatability versus temperature comparison below (see Figure 9) shows that both sensor types actually exhibit similar performance. The data shown are typical 6-Sigma edge repeatability results using a 60 pole-pair ring magnet with a diameter of 100 mm. BPkPk, shown on the x-axis, represents the magnitude of the magnetic field input. Figure 8 contains an example of the measurement method used to quantify repeatability. When repeatability is measured this way, smaller values indicate better performance, i.e., less jitter. Figure 10 illustrates that the repeatability is very stable with changes in target speed.

    Sensory pozycji - przegląd
    Sensory pozycji - przegląd


    Temperature has the greatest influence on repeatability. Other contributors include magnetic field strength and consistency as well as target speed. However, the rising and falling edge repeatability for slow speeds is only marginally better than when operating at higher speeds for both the continuous-time and the chopper-stabilized devices.

    Stabilność termiczna

    Układy o pomiarze impulsowym charakteryzują się lepszą stabilnością temperaturową na tle innych sensorów Halla. Gdy temperatura materiału, z którego wykonany jest sensor pola magnetycznego, na przykład ferryt, ulega zmiana, to wraz z tą zmianą dryfuje efektywne pole mierzone przez sensor. Oznacza to, że bez śledzenia zmian temperatury niemożliwe jest zachowanie precyzyjnego progu załączenia i wyłączenia układu w szerokim zakresie temperatur jego pracy.

    W układach impulsowych próg przełączania układu jest uśredniany po wielu cyklach pracy, co sprawia, że jest on mniej podatny na dryft termiczny. System stabilizacji impulsowej i usuwania offsetu ma także pozytywny wpływ na stabilność termiczną. Jak pokaano na poniższych ilustracjach, próg załączenia się tego rodzaju sensora mocniej zależy dla układów o pracy ciągłej niż tych, które stabilizowane są impulsowo.

    Sensory pozycji - przegląd Sensory pozycji - przegląd


    W tym przykładzie odchylenie standardowe dla pomiaru jest trzykrotnie większe dla układy o pracy ciągłej w porównaniu dla elementu o pracy impulsowej. Dodatkowo, wariancja progu przełączania w systemach o pracy ciągłej jest do 5 razy większa niż w elementach stabilizowanych impulsowo.

    W poniższej tabeli podana przykładowe dane dla progów przełączania sensorów dla różnych warunków pracy.

    ParametrWarunki Odchylenie standardowe wartości progu pola magnetycznego
    z karty TA = –40°C TA = 25°C  TA = 150°C
    katalogowejpomiaruImpulsowePracy ciągłejImpulsowePracy ciągłejImpulsowePracy ciągłej
    Punkt pracy VCC = 3 V   2.24  7.33  2.23   6.01 2.78 12.03
    BOP VCC = 24 V  2.19  7.28  2.24  6.00  2.78  12.12
    Punkt zwpolnienia VCC = 3 V  2.23  6.97  2.12  5.67   2.52 12.88
    BRP VCC = 24 V  2.29  6.97  2.09  5.61  2.45  13.07
    Histereza VCC = 3 V  1.89  2.83   2.61 2.36  1.87  2.59
     BHYS VCC = 24 V  1.87  2.72  2.64  2.44  1.72  2.68


    Podsumowanie

    Sensory impulsowe oferują wiele zalet nad tymi o pracy stałej. W ogólności przewyższają one je pod względem stabilności termicznej i naprężeniowej. Dodatkowo elementy te łatwiej integruje się z urządzeniami, ponieważ nie jest potrzebna kalibracja i zajmują one mniej miejsca na płytce drukowanej.

    Wszystkie nowe układy, jakie produkuje Allegro, korzystają z tej technologii, jednakże nadal dostępne są sensory o pracy ciągłej. Należy o tym pamiętać, ponieważ istnieje kilka aplikacji, w których nadal elementy impulsowe sprawdzają się gorzej. Są to między innymi:

    * Systemy gdzie zasilanie odłączane jest okresowo od sensora.
    * Układy pracujące z wysoką prędkością, które wymagają pomiarów o wysokiej częstotliwości i niskim szumie fazowym.

    Jeśli Twój układ wchodzi w którąś z powyższych kategorii, to lepiej będzie wykorzystać układ o pracy ciągłej. Jeśli nie, to lepiej sięgnąć po układy stabilizowane impulsowo.

    Źródło: http://www.allegromicro.com/en/Design-Center/Technical-Documents/Hall-Effect-Sensor-IC-Publications/Digital-Position-Sensor-ICs-Continuous-Time-to-Chopper-Stabilized.aspx?sc_camp=64EB2DD6B3FE4C088C07DB87D5D9B6EF


    Fajne! Ranking DIY
  • SterControl
  Szukaj w 5mln produktów