Normalment, en el procés d'ús del joystick, hi ha dues maneres d'aconseguir un senyal de sortida analògic: forma de sensor Hall i tipus potenciòmetre.
1, aquest article pretén aclarir el principi bàsic d'implementació del sensor Hall, les diferències, avantatges i desavantatges entre 2D Hall i 3D Hall.
Definició de l'efecte Hall:
L'efecte Hall va ser descobert pel físic Hall l'any 1879. Defineix la relació entre el camp magnètic i la tensió induïda. Aquest efecte és completament diferent de la inducció electromagnètica tradicional.
——Imatge d'Internet
Com es mostra a dalt, quan un corrent elèctric travessa un conductor situat en un camp magnètic (la superfície ombrejada), el camp magnètic exerceix una força sobre els electrons del conductor perpendicular a la direcció del moviment dels electrons, donant lloc a una diferència de potencial. en ambdues direccions perpendiculars al conductor i la línia d'inductància magnètica.
Quan s'aplica un camp magnètic perpendicular a la direcció del corrent al semiconductor, els electrons i els forats del semiconductor seran atrets per la força de Lorentz en diferents direccions i s'agregaran en diferents direccions. El camp elèctric es generarà entre els electrons i els forats reunits. Després que la força del camp elèctric i la força de Lorentz estiguin equilibrades, ja no s'agregaran. En aquest cas, el camp elèctric sotmetrà els electrons i forats posteriors a la força del camp elèctric i equilibrarà la força de Lorentz generada pel camp magnètic, de manera que els electrons i forats posteriors puguin passar suaument sense desviació, que és l'efecte Hall. . La diferència de tensió entre els dos costats s'anomena tensió de Hall.
Diagrama esquemàtic
L'electró crea una diferència de potencial en el camp magnètic que resulta en una força de Lorentz
Força de Lorentz F=qE més qvB/c
Així que el camp del Hall
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Aplicació de l'efecte Hall:
Tot i que l'efecte Hall es va descobrir abans, es va veure limitat pel desenvolupament d'imants constants i components electrònics. Els sensors Hall van aparèixer per primera vegada cap a la dècada de 1970.
El sensor Hall bàsic està dissenyat com un circuit integrat de xip Hall altament fiable empaquetant el xip de circuit de material de silici monocristal en una estructura d'embalatge hermètica.
Tanmateix, a causa dels problemes de disseny del circuit, el xip Hall utilitzat per primera vegada produirà grans canvis de tensió a causa de la deriva de temperatura, que no es poden aplicar a l'entorn industrial real.
Més tard, fins a la dècada de 1990, algunes empreses, com MLX, van utilitzar circuits de compensació de temperatura per compensar la influència dels paràmetres relacionats amb la temperatura en la fórmula de càlcul del camp magnètic, de manera que el camp magnètic no canviés amb la temperatura. A més, el xip Hall ha realitzat un funcionament programable, que no necessita adaptar la sortida analògica establerta pel xip Hall als requisits d'ús, i amplia molt l'escenari d'ús i l'abast del xip Hall.
El xip Hall va començar a ser àmpliament utilitzat en l'entorn industrial i de vehicles, utilitzat per jutjar els paràmetres de desplaçament i angle de rotació i convertir-los en sortida analògica.
Després de MLX Company, molts fabricants d'IC a casa i a l'estranger es van unir al desenvolupament del xip Hall. El xip Hall convencional que s'utilitza ara sol estar fet de múltiples xips Hall superposats per a un judici de redundància, cosa que millora molt la resolució i la precisió de la sortida analògica.
Ús de Hall al mànec:
Els primers mànecs industrials van aconseguir una sortida analògica mitjançant l'estructura giratòria del mànec, que empenyia la bala per impulsar la vàlvula hidràulica. Hi haurà deficiències en el control intel·ligent i el disseny lògic, i el dispositiu hidràulic tindrà inevitablement un fenomen de fuites d'oli, que no es pot utilitzar en l'escena amb requisits d'alt nivell de contaminació o en l'escena que requereixi un entorn net.
Ús hidràulic de la forma de bala
——Imatge d'Internet
Hall va ser utilitzat per primera vegada en joysticks per Danfoss, un fabricant alemany. Els seus productes principals són JS1, JS1000 i així successivament.
Els fabricants de xips Hall s'utilitzen habitualment al mànec, inclosos MLX, TI, McGahn, etc.
Hi ha diferències entre la sala d'avió 2D i la sala 3D segons els diferents mètodes d'ús.
Diferència entre 2D Hall i 3D Hall:
Normalment, l'ús de Hall al mànec es divideix en rotatiu i desplaçament i swing. El tipus rotatiu és 2D Hall, i el tipus de desplaçament i swing és 3D Hall.
* Tingueu en compte l'ús d'acer magnètic:
Independentment de la forma de la sala, hi ha dos requisits de control crítics per aconseguir l'estabilitat del treball de la sala.
La primera és la distància entre l'acer magnètic i el centre Hall, que varia segons els diferents models de xip Hall. Generalment és d'1 ~ 5 mm.
La segona és la mida de magnetització de l'acer magnètic, segons el model de xip Hall és diferent, generalment en desenes de mT a centenars de mT.
Si algun dels dos paràmetres està fora de rang o la desviació és gran, provocarà la inestabilitat del xip Hall, donant lloc a una mutació o desviació de sortida.
A més, en general, l'acer magnètic no causarà desviació de sortida a causa de la desmagnetització durant el seu ús a llarg termini, i el seu paràmetre clau és la coercivitat de l'acer magnètic. La coercivitat es refereix a que la intensitat d'inducció magnètica B no torna a zero quan el camp magnètic extern torna a zero després de la magnetització per saturació dels materials magnètics. Només afegint un camp magnètic d'una certa mida en la direcció oposada al camp de magnetització original, la intensitat de la inducció magnètica pot tornar a zero, que s'anomena camp magnètic coercitiu o força coercitiva.
En general, la coercitivitat de l'acer magnètic requereix Hcb superior o igual a 850KA/m; Coercivitat intrínseca Hcj Major o igual a 955KA/m. El principal factor d'influència és el material d'acer magnètic. En general, la coercitivitat del material de ferrita és petita, cosa que provocarà la desmagnetització de l'acer magnètic durant molt de temps. I la coercivitat del material NdFeb és més gran, normalment a alta temperatura no a llarg termini (per sobre de 60 ~ 80 graus) sota les condicions d'ús, l'ús d'uns cinc a deu anys és més que suficient.
L'acer magnètic utilitzat per al mànec sol ser l'acer magnètic N35 Ndfeb.
Altres elements controlats d'acer magnètic són la remanència Br i el producte d'energia magnètica màxima BH(max).
1. Tipus rotatiu:
Rotary Hall normalment s'ubica al centre de l'eix de rotació i la direcció de magnetització és radial. Quan es gira l'eix del mànec, es genera la tensió Hall a causa del canvi de flux magnètic a través del sensor Hall.
Els avantatges d'aquest mètode d'ús són:
1. Bona simetria de voltatge;
2. Baixa dificultat de realització;
3. En el cas del mànec de doble eix, la interferència de l'eix XY és petita;
4. El mànec d'un sol eix ocupa menys espai.
5. Baixa dificultat de magnetització.
6. L'angle de rotació pot ser gran (menys de 360 graus)
Els desavantatges són:
1. Quan es realitza el mànec de doble eix, ha d'ocupar un espai relativament gran;
2. S'ha d'utilitzar al centre de rotació.
Tipus de rotació
1. Fórmula de desplaçament:
En general, l'ús del desplaçament és també l'ús de 3D Hall, com ara el primer xip de bandera MT1531. Normalment la direcció de magnetització és radial. D'aquesta manera, l'acer de camp magnètic hauria de tenir un flux magnètic de 0mT al punt mitjà, que és màxim a ambdós costats. Quan l'acer magnètic s'imanta d'aquesta manera, és necessari tenir requisits sobre la uniformitat de magnetització a banda i banda de l'acer magnètic de la cinta o l'acer magnètic corbat. Si la mida magnètica és diferent, la distribució del flux magnètic serà desigual, donant lloc a la desviació lineal de la sortida a ambdós costats quan es sacseja el mànec.
Avantatges:
1. L'estructura és senzilla i el preu de la sala de desplaçament és baix;
2. La fase estructural de l'acer magnètic que és difícil de col·locar al centre de rotació és millor;
3. Estructura flexible, pot fer més varietats d'estructura.
Desavantatges:
1. L'acer magnètic necessita simetria magnetitzant;
2. En general, és molt difícil realitzar una fórmula de simetria lineal de desplaçament;
3. L'angle de rotació no ha de ser massa gran; (normalment no supera els 40 graus)
——Imatge de l'especificació MLX90333
1. Tipus de swing:
La sala oscil·lant és una realització habitual de la sala biaxial. Realitza la sortida de dos eixos o fins i tot de múltiples eixos d'un xip superposant diversos xips Hall en un sensor Hall.
Normalment, la direcció de la magnetització de l'acer magnètic és la magnetització axial, i la magnetització axial de l'acer magnètic circular reduirà molt la dificultat de la magnetització.
——Imatge de l'especificació MLX90333
Per als sensors Hall, tot i que un únic xip 3D és més car que un xip 2D, el cost d'implementar una sortida biaxial és relativament més baix que l'ús de dos xips 2D.
Avantatges:
1. L'acer magnètic té una dificultat de magnetització baixa. Dificultat de muntatge baixa;
2. El cost de realització biaxial és baix;
3. L'espai horitzontal del mànec està menys ocupat;
Desavantatges:
1. El requisit de compensació del pegat Hall és relativament alt, i el requisit de compensació de SMT no és generalment superior a 1/2 del peu de soldadura; En cas contrari, hi haurà una gran interferència biaxial (és a dir, en empènyer un eix, l'altre eix té fluctuacions de sortida, 3D Hall no pot evitar la interferència biaxial, però generalment es considera qualificat dins del rang de desviació de sortida)
2. El cost d'aconseguir una sortida uniaxial serà més elevat;
3. L'angle de rotació és més petit que el tipus de desplaçament (generalment no més de 30 graus);
El mànec HJ8 de Shanghai Chen Gong Electric Control utilitza la sala 3D de MLX90333.
ii. Factors que afecten la desviació de la sortida de Hall:
En termes generals, els factors que afecten la tensió de sortida de Hall són principalment els motius següents. En termes generals, com que el xip rarament es fa malbé, les causes de la desviació de la tensió de sortida s'analitzen principalment a partir dels canvis de flux magnètic:
1. Canvis en el flux magnètic causats per l'acer magnètic:
L'acer magnètic canviarà el flux magnètic i, per tant, la tensió de sortida per diverses raons, com ara:
A. La mala protecció condueix a l'adsorció de pols de ferro a l'acer magnètic, donant lloc a un canvi de flux magnètic.
B. La fixació incorrecta de l'acer magnètic provoca l'afluixament de l'acer magnètic;
C. Les esquerdes ocultes existeixen quan l'acer magnètic està reblat o fixat, cosa que pot provocar esquerdes i canvis de flux magnètic després d'alta i baixa temperatura.
Maneres d'evitar:
Cal analitzar aquests factors i fer un seguiment de les mesures de millora a la FEMA del disseny i procés.
2. Canvis de flux magnètic causats per causes externes:
En general, el flux magnètic a través del xip Hall canvia a causa de les fluctuacions del circuit causades per un camp magnètic extern o un impacte de tensió, afectant així la sortida.
Maneres d'evitar:
Es va dur a terme una prova d'EMC i es va utilitzar un escut per augmentar el blindatge del xip Hall.
3. Desviació de sortida causada per l'estructura mecànica:
Després d'un ús a llarg termini, l'augment de l'espai lliure mecànic comporta un augment de la desviació de sortida.
Maneres d'evitar:
Optimitzar el disseny estructural.
4. Font d'alimentació no regulada de tensió d'entrada externa:
En termes generals, la tensió d'entrada Hall nominal del fabricant del mànec Hall és de 5,0Vdc±0,5 V, però a la pràctica, aquesta tensió es refereix a la tensió que impulsa el sensor Hall. Si el valor de la tensió de sortida de calibratge és de 0.5 ~ 2,5 V ~ 4,5 V de sortida, introduïu una tensió de 5,5 V, aleshores la tensió de sortida mitjana serà de 2,75 V, més enllà del rang dels requisits mitjans. Per tant, generalment se'ls indica als clients que utilitzin una font d'alimentació regulada. La desviació de la font d'alimentació és generalment de ±0.2V amb condicions en el millor rang de ±0.1V.