【选型】如何为采用磁传感技术的电器设计选择数字和模拟传感器

2017-07-01 Littelfuse

能源效率和便利性的需求正在推动传感器技术在家电/白色家电市场中的应用。在这个行业领域,传感器被用于检测和控制温度、位置、接近度、液位和速度。随着电器设计中集成了越来越多的传感器,而且消费者要求更高的精确性、可靠性和效率,因此,工程师必须找到能够实现这些目标的先进的传感解决方案。

当现成的传感解决方案不能满足白色家电应用的独特要求时,设计工程师必须选用定制的传感器。为了找到适合某种电器设计的最佳定制传感器,工程师应考虑整个磁路以及该应用的环境、机械、电和磁参数。在了解所有关键因素之后,工程师可以就采用强大的传感技术的定制磁路设计进行推荐。

本文将讨论如何为采用磁传感技术的电器设计选择数字和模拟传感器。除了对霍尔效应传感器舌簧开关的优点进行说明和描述之外,本文还将列举采用这些传感器的电器设计实例。

提供卓越精确性和稳定性的模拟传感器
模拟传感应用允许最终用户收集磁体位置的即时反馈。模拟霍尔效应传感器可以在大小电器中提供高精确度、高分辨率的比例输出信号。不同于机械式开关的是,这些传感器能够隐藏设计在电器外壳内,增加了电器的外观美感。由于模拟霍尔效应器件采用的是非接触式磁传感,因此不会出现杠杆臂或按钮技术常见的机械磨损。

近来在模拟霍尔效应技术上的设计进步使霍尔效应芯片能够测量磁通场的角度,而不是传统上的幅度。这种改进使得它更不容易受温度变化的影响,使传感器能够在较大的温度范围内提供更为稳定的模拟输出信号。

以下部分是可以选择用于模拟电器应用的两种霍尔效应传感器的详细介绍:

旋转霍尔效应传感器
这种基于半导体的传感器将霍尔效应传感元件与电子电路相结合,提供了对应旋转磁场变化的模拟输出信号。

旋转霍尔效应传感器提供了两种输出选择:模拟或脉冲宽度调制(PWM)。工程师可以对传感器进行编程以将具体的输出电压或 PWM 输出值与精确的旋转度关联起来。在多达 360 度的旋转角度内有多个编程点可用。每个编程点代表了对应于磁场给定角度的电压或 PWM 输出值。由此产生相对于旋转角度的比例输出信号。

优点:
与机械旋转式或电阻膜旋转器件不同,这种旋转霍尔效应传感器不会产生机械磨损或变化的电阻值。此外,在高达+105°C的正常工作温度上具有非常稳定的表现。精度在 0-360 度旋转上具有 0.5 V–4.5 VDC 输出或 10-90% PWM 占空比。

电器应用:
旋转霍尔效应传感器可用于检测洗衣机干衣机、炉子/炉灶和搅拌机的旋钮位置。针对喜欢机械式旋钮的止动/咔哒声和感觉的消费者,设计工程师可以在封装非接触式旋转霍尔效应传感器的外部包装上增加这些机械特点。因此,最终用户能够在享受霍尔效应传感器带来的高可靠性的同时获得机械式体验。



图1:洗衣机或干衣机旋钮中所用的旋转霍尔效应传感器


线性霍尔效应传感器
与测量旋转的旋转霍尔效应传感器不同,线性霍尔效应传感器测量的是磁场的线性运动。这种霍尔效应传感器是可编程的,从而使设定的输出电压与给定的行程距离成比例。其输出选项与旋转霍尔效应传感器相同。这种传感器测量磁致动器的线性运动和相对通量角,单个霍尔效应芯片最高可达 30 毫米行程距离。由此产生相对于传感器精确运动的比例输出信号。

优点:
在对输出电压(或 PWM 值)进行编程以与致动磁体的相对磁场值相对应之前,考虑到来自附近的所有磁场影响,传感器和致动器可以放置在应用内的最终安装位置上。由于磁场的任何分流、机械公差或堆叠公差都将被纳入到编程环境中,使得工程师能够对应用的输出进行优化。

电器应用:
线性霍尔效应传感器通常被用来在冰箱制冰机、洗碗机、洗衣机和咖啡机中监测液位


针对精密、高可靠性应用的数字传感器
大多数白色家电应用需要数字输出以验证某个对象是否在其正确的位置上。在电器中使用基于微处理器的传感和控制系统需要低电压、低电流开关器件,如舌簧开关和霍尔效应传感器。以下非接触式传感器能够在数字电器应用中提供出色的可靠性和耐用性。

舌簧开关
舌簧开关是一种像集成电路那样无需电源而工作的电开关。它的电触点被密封在玻璃管内,采用的是贵金属接触材料。


优点:
这种封闭的开关是非常可靠的,因为它不受湿度和其他环境因素的影响。由于它的电触点不会氧化,舌簧开关能够在数百万次逻辑电平负载的周期内保证可靠的运行。

电器应用:
舌簧开关具有逻辑电平负载,非常可靠,因此适用于数字开/关操作。例如,它们可以被用来在冰箱、洗碗机、洗衣机、干衣机、炉子/炉灶、咖啡机和食品加工机中检测门/盖的开合。

在电冰箱中,磁体被安装在门上,而舌簧开关被连接到隐藏于冰箱外壁后面的固定框架上。当冰箱门打开时,舌簧开关无法感测到磁场,使 LED 灯泡接通点亮。当冰箱门关闭时,传感器检测到适当的磁场,LED 灯熄灭。在这种应用中,电器内的微控制器会接收来自舌簧开关的信号。然后,控制单元会启动或关闭 LED 灯。



图2:冰箱门上安装的舌簧开关


数字霍尔效应传感器
这种基于半导体的器件将霍尔效应传感元件与电子电路相结合,提供随磁场变化而变化的输出电压。这种数字霍尔效应传感器提供与磁场变化相对应的数字开/关输出信号。由于霍尔效应传感器是一种没有活动部件的非接触式元件,与机械式开关相比,它具有显著更长的工作寿命。霍尔效应器件内的有源电路始终会消耗少量的电流。这种传感器仅可在以低直流电压和电流为特点的应用中使用。

优点:
数字霍尔效应传感器具有高可靠性,可以针对精密的感测要求在给定的磁场耐受性下进行编程而启动。


电器应用:
数字霍尔效应传感器被用于速度感应应用,如洗衣机、干衣机和搅拌机。

在洗衣机中,一个旋转的 16 极环形磁体在每次通过红色(北极)部分时会启动霍尔效应芯片。每次通过白色(南极)部分时又会停用芯片。这一过程可产生非常精确的高速信号。



图3:洗衣机中所用的速度感应霍尔效应传感器


结论
对节能、方便设计的电器的需求促进了对高级传感器的需求。如果必须满足定制的传感要求,设计工程师可以在复杂的电器设计中使用舌簧开关和霍尔效应传感器。模拟应用受益于旋转和线性霍尔效应传感器的可靠性和精确性。另一方面,舌簧开关和数字霍尔效应传感器在数字驱动的白色家电应用中提供了卓越的精确度和可靠性。构建包含所有已知参数和强大的定制传感器的磁路将会得到高度可靠的、高效的电器设计。


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  • 冷锋 Lv7. 资深专家 2017-12-27
    很好,学习了
  • 电工电器 Lv7. 资深专家 2017-10-29
    很好,学习了
  • 游来游去 Lv8. 研究员 2017-10-27
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