Датчики Холла и магнитного поля

Единицы, направление и полярность

Индукцию поля измеряют в теслах, датчикам Холла хватает миллитесл: 1 мТл = 10 Гс (сноска к таблицам DRV5013, DRV5023 и DRV5053; у Allegro — 1 Гс = 0,1 мТл). Подробнее о единицах — в статье «Магнитная индукция». Для масштаба: точность компаса BMM150 Bosch нормирует при горизонтальной составляющей поля Земли 30 мкТл, а пороги датчиков Холла — от единиц до десятков миллитесл, в десятки — тысячи раз больше.

Планарный датчик Холла в корпусе SOT-23 или TO-92 — DRV50xx, A1324 — чувствует составляющую поля, перпендикулярную верхней грани корпуса; у TO-92 это плоская маркированная сторона (DRV5032, п. 7.3.1; DRV5055, п. 6.3.1). Исключения — 3D-датчики вроде TMAG5273 и датчики с чувствительностью в плоскости корпуса, как TMAG5233 (SLYA090B, п. 1.2). Магнит подводят к этой грани полюсом. Если повернуть его так, что поле идёт вдоль корпуса, датчик его почти не заметит — TI показывает правильные и неправильные варианты на рисунке Correct and Incorrect Magnet Approaches (DRV5032, п. 8.3).

Знак поля задаёт производитель. У TI положительное поле — когда к маркированной стороне обращён южный полюс, отрицательное — северный (DRV5013, п. 6.3.1; DRV5055, п. 6.3.1). У Allegro южный полюс у маркированной поверхности A1324 поднимает выход от середины питания к плюсу, северный — опускает. В даташите Honeywell на SS49E не сказано, в какую сторону меняется выход от каждого полюса, — только то, что датчик реагирует на поле обоих знаков, так что направление проверяют магнитом. Сильного поля датчики Холла не боятся: у DRV5013, DRV5032 и DRV5055 предельная индукция в таблице абсолютных максимумов не ограничена.

Виды датчиков Холла

Разница между переключателем и защёлкой важна при счёте оборотов. Униполярный переключатель отпускает, когда магнит уходит, — одного магнита на валу достаточно. Защёлка, по Allegro, при снятии поля не выключается и держит состояние, пока к ней не придёт северный полюс (AN296065). У DRV5013AD, AG и BC так и есть: B_OP у них только положительный, B_RP — только отрицательный. У DRV5013FA пороги близки к нулю (B_OP от −0,6 до 3,4 мТл, B_RP от −3,4 до 0,6 мТл), и состояние без поля у отдельного экземпляра не гарантировано (п. 5.7). Защёлку ставят напротив кольцевого магнита с чередующимися полюсами или пары магнитов, обращённых к датчику разными полюсами: один южный полюс на валу включит защёлку один раз и навсегда.

Цифровые датчики: пороги и гистерезис

По даташитам TI:

Пороги в даташите заданы разбросом, и проектируют по краям: чтобы датчик гарантированно сработал, магнит в ближнем положении должен давать поле больше максимального B_OP, а чтобы отпустил — в дальнем меньше минимального B_RP (DRV5032, п. 8.2.1.2). Для DRV5032FA это больше 4,8 мТл и меньше 0,5 мТл. В примере TI кубик NdFeB со стороной 1 см на расстоянии 2,5 см даёт 7,8 мТл — с запасом против 4,8 мТл (табл. 8-1); запас нужен на нагрев, при котором любой магнит слабеет, и на механические допуски. Гистерезис B_hys = B_OP − B_RP не даёт выходу дребезжать, когда поле колеблется около порога.

Защёлка после включения. Если DRV5013 включить, когда поле находится между B_RP и B_OP, состояние выхода не определено: он может оказаться и отпущенным, и притянутым к нулю (п. 6.3.2). Достоверное состояние появится после первого прохода полюса. У версий ND и FD выход инвертирован: южный полюс его отпускает, северный притягивает к нулю.

Выборка у DRV5032. Средний ток от долей до единиц микроампер DRV5032 получает за счёт сна: поле измеряется раз в период выборки — 27–75 мс у версий на 20 Гц и 117–286 мс у FB на 5 Гц, а между выборками выход не меняется (п. 6.5, 7.3.2.4). Магнит, промелькнувший быстрее периода, такой датчик может не заметить. Для счёта оборотов берут DRV5013 или DRV5023 с полосой в десятки килогерц, а DRV5032 — для дверей, крышек и положений, которые меняются медленно.

Подключение цифрового датчика Холла

У DRV5013, DRV5023 и DRV5032 в корпусе SOT-23 выводы одинаковы: 1 — питание, 2 — выход, 3 — общий; в TO-92: 1 — питание, 2 — общий, 3 — выход. У униполярных DRV5032DU и FD выход называется OUT2 и реагирует на южный полюс, а в корпусе X2SON у DU, DG и FD есть и второй выход, OUT1, — для северного полюса (DRV5032, табл. 5-1).

Подтяжка. Открытый сток умеет только притягивать выход к общему проводу, высокий уровень создаёт внешний резистор (подробнее — в статье «Открытый сток»). TI ограничивает его сопротивление с двух сторон (DRV5013, уравнение 1):

где U_ref — напряжение, к которому подтянут выход. Для 3,2–3,4 В это от 113 Ом до 32 кОм; кроме того, R1 должен быть больше 500 Ом, иначе выход не опустится близко к нулю. TI в примере берёт 10 кОм. Меньшее сопротивление ускоряет фронты, большее экономит ток: пока выход притянут к нулю, через резистор течёт U_ref/R₁ — 0,33 мА при 3,3 В и 10 кОм, в 200 с лишним раз больше среднего тока DRV5032 на 20 Гц (1,6 мкА при 3 В). Поэтому для батарейных устройств подходят двухтактные версии DRV5032: у них утечки через подтяжку нет (п. 8.1.1).

Подтяжка к другому напряжению. Выход DRV5013 и DRV5023 можно подтянуть не к своему питанию, а к питанию микроконтроллера: датчик питают от 12 В, резистор подключают к 3,3 В, и согласователь уровней не нужен. Напряжение на выходе допускается до 38 В.

Встроенная подтяжка. TI разрешает вместо внешнего резистора включить подтяжку вывода микроконтроллера (DRV5013, п. 7.4.1). У ATmega328P она 20–50 кОм, а верхняя граница по формуле TI при 5 В ±5 % — 4,75 В / 100 мкА = 47,5 кОм, и встроенный резистор может выйти за допуск. Надёжнее внешний 10 кОм — TI советует ставить его рядом со входом микроконтроллера.

Конденсаторы. Керамический конденсатор по питанию ставят у самого датчика: не меньше 0,01 мкФ на напряжение питания у DRV5013 и DRV5023, не меньше 0,1 мкФ у DRV5032. Пульсации питания DRV5013 TI рекомендует держать меньше 50 мВ размаха. Конденсатор C2 с выхода на общий провод обычно не нужен; с R1 = 10 кОм и C2 = 680 пФ получается фильтр с частотой среза 23,4 кГц (п. 7.2.1).

Два провода вместо трёх. Если датчик далеко, DRV5013 подключают двумя проводами: выход соединяют с питанием через резистор, а состояние определяют по потребляемому току. В примере TI при 12 В и 1 кОм ток — около 3 мА, когда выход отпущен (поле ниже B_RP), и около 15 мА, когда он притянут к нулю (поле выше B_OP); без поля защёлка хранит последнее состояние, а с ним и ток. Конденсатор по питанию в такой схеме — не меньше 0,1 мкФ (п. 7.2.2).

Несколько датчиков на один вход. Выходы с открытым стоком соединяют вместе: линия опустится, если сработал любой из датчиков (DRV5032, п. 8.1.1).

Счёт оборотов и опрос микроконтроллером

Цифровой датчик подключают ко входу с прерыванием: у неинвертированных версий выход падает в ноль, когда поле превышает B_OP, — прерывание настраивают на спад. Частота вращения:

где N — число импульсов за время t в секундах, k — импульсов на оборот: число магнитов для униполярного переключателя или число пар полюсов кольцевого магнита для защёлки. При счёте за 1 с и одном импульсе на оборот шаг измерения — 60 об/мин, поэтому на малых скоростях измеряют период между импульсами, например захватом таймера — так это делается в статье «Таймеры STM32». Сам датчик быстрый: задержка DRV5013 и DRV5023 — 13 мкс типично и 25 мкс максимум.

Выход линейного датчика читают АЦП, как любой аналоговый сигнал; разрядность, опорное напряжение и время выборки разобраны в статье «АЦП».

Линейные датчики Холла

Выход DRV5055 описывается уравнением TI (п. 6.3.2):

где U_Q — выход без поля, S₂₅ — чувствительность при 25 °C, STC — её температурный коэффициент: 0,12 %/°C у версий A1–A4 и 0 у Z1–Z4. Версии A намеренно повышают чувствительность с нагревом — при 125 °C на 12 % — чтобы компенсировать ослабление магнита: остаточная индукция NdFeB падает примерно на 0,12 %/°C, феррита — на 0,20 %/°C (п. 6.3.6, 7.1.2). Если поле создаёт не постоянный магнит, а ток в проводнике или катушке, такая компенсация сама становится погрешностью, и логичнее версия Z.

Линейно выход меняется в пределах от 0,2 В до VCC − 0,2 В; ближе к шинам чувствительность падает (п. 6.3.3). TI советует брать самую чувствительную версию, у которой диапазон B_L ещё больше максимального поля в устройстве (п. 7.2.2). У DRV5053 ноль сдвинут к 1 В, а знак чувствительности зависит от исполнения: у OA, PA, RA и VA южный полюс опускает выход ниже 1 В, у CA и EA — поднимает. Допуск чувствительности у DRV5053 широкий, поэтому его калибруют по известному полю.

Логометрический выход. Ноль и чувствительность DRV5055 и A1324 пропорциональны питанию: при 5,25 В вместо 5 В оба на 5 % больше (DRV5055, п. 6.3.4). Если АЦП берёт опорным то же питание, его отклонения сокращаются. Код 10-битного АЦП N = 1024 · U/U_пит (ATmega328P, п. 24.7), и поле выражается через код без напряжения питания:

где S_5В — чувствительность при 5 В. Остаётся ошибка логометричности — у DRV5055 до ±2,5 % по чувствительности, у A1324 до ±1,5 % при 25 °C.

Нагрузка и фильтр. Шум снижают RC-фильтром на выходе, если полная полоса не нужна, но конденсатор прямо на выход DRV5055 без резистора ставить нельзя — выход может стать неустойчивым (п. 7.1.3). У A1324 нагрузка — не меньше 4,7 кОм и не больше 10 нФ; у DRV5053 — больше 10 кОм и меньше 10 нФ, а фильтр собирают из резистора от 200 Ом и конденсатора до 0,1 мкФ (п. 7.3.4). По питанию — не меньше 0,01 мкФ у DRV5055 и 0,1 мкФ в типовой схеме A1324. Для DRV5055 TI предлагает и проверку обрыва проводов: подтяжка 20–100 кОм с выхода на питание, и напряжение ближе 150 мВ к питанию или к нулю считается неисправностью (п. 7.1.4).

Поле проводника с током измеряют тем же способом; готовое решение с проводником внутри корпуса и изоляцией — ACS712, его разбирает статья «Как измерить ток».

Пример: от кода АЦП к миллитеслам

DRV5055A2 питается от 5 В вместе с Arduino Uno, выход подключён к A0, analogRead() вернул 655. Напряжение — 655 · 5 / 1024 = 3,198 В. Поле:

Знак плюс: к лицевой стороне обращён южный полюс. Теперь допуски из таблицы. Выход без поля 2,43–2,57 В — это ±70 мВ, или ±1,4 мТл при 50 мВ/мТл; чувствительность 47,5–52,5 мВ/мТл даёт результат от 13,3 до 14,7 мТл. Ошибку нуля убирают калибровкой: при запуске, без магнита рядом, запоминают код и вычитают его вместо 512 — так сделано в примере ниже. Шаг АЦП 5 В / 1024 = 4,88 мВ соответствует 0,098 мТл, а шум DRV5055A2 на выходе — 6 мВ размаха, немного больше шага, поэтому отсчёты усредняют.

Проверка по примеру TI: DRV5055A3 при 3,3 В, 50 °C и 67 мТл выдаёт 1650 + 67 · 15 · (1 + 0,0012 · 25) = 2685 мВ. Обратный пересчёт: (2685 − 1650) / (15 · 1,03) = 67,0 мТл.

Поле магнита и расстояние до датчика

Порог датчика задан в миллитеслах, а конструктору нужно расстояние. Поле от расстояния зависит нелинейно и по-разному для разных форм магнита; TI приводит формулы только для поля на оси прямоугольного и цилиндрического магнита (DRV5032, уравнения 1 и 2). Для цилиндра диаметром C и толщиной T, намагниченного вдоль оси, на расстоянии D от торца:

где B_r — остаточная индукция материала из паспорта магнита. Для цилиндра диаметром 10 мм и толщиной 5 мм:

С 5 до 10 мм поле падает в 3,5 раза, с 10 до 20 мм — в 5,2 раза; каждый лишний миллиметр зазора ослабляет поле в 1,33 раза на расстоянии 2 мм и в 1,14 раза на 20 мм. Допуск порогов шире: у DRV5032FA B_OP — от 1,5 до 4,8 мТл, в 3,2 раза, у DRV5023FA — от 1,8 до 6,8 мТл, у DRV5013AD — от 1 до 5 мТл. Поэтому расстояние срабатывания в партии датчиков заметно различается, и считают его по максимальному B_OP с запасом. Расстояние D отсчитывают до чувствительного элемента, а он лежит внутри корпуса — его положение TI даёт на рисунке Hall Element Location.

Формулы TI верны только на оси простых магнитов — блока и цилиндра. В остальных случаях TI советует определять поле моделированием, линейным датчиком Холла или гауссметром (DRV5032, п. 8.2.2.2). Пластик, алюминий и печатная плата поле почти не искажают — магнит можно поставить снаружи пластикового или алюминиевого корпуса и даже с обратной стороны платы; медные полигоны под датчиком тоже не мешают. А вот детали из железа и никеля перенаправляют поток непредсказуемо (DRV5032, п. 8.5.1; DRV5013, п. 7.4.1).

3D-датчики и магнитометры

TMAG5273 сам считает угол по двум выбранным осям встроенным блоком CORDIC и умеет будить микроконтроллер прерыванием, когда поле выходит за порог: его задачи по даташиту — джойстики, электронные замки, датчики дверей и окон. Компасом он не станет. Bosch нормирует курс BMM150 при горизонтальной составляющей поля Земли 30 мкТл, а шум TMAG5273 по осям X и Y — 125 мкТл без усреднения и 22 мкТл даже при усреднении 32 отсчётов; смещение к тому же уходит на ±3 мкТл на градус типично и до ±10 мкТл на градус. Смещение можно откалибровать, но шум даже с усреднением сравним с самим полем, а дрейф при изменении температуры на 10 °C — ±30 мкТл типично, столько же, сколько измеряемая составляющая. У BMM150 шум — от 1,0 мкТл в режиме low power до 0,3 мкТл в режиме high accuracy, но и его смещение без калибровки — ±40 мкТл, больше горизонтальной составляющей 30 мкТл, при которой Bosch нормирует курс. Bosch доводит его примерно до ±2 мкТл программной калибровкой, при которой устройство поворачивают в разные положения, а точность курса ±2,5° обещает только при полной калибровке и идеальной компенсации наклона. Слияние данных с гироскопом и акселерометром — в статье «Акселерометры и гироскопы».

Геркон или датчик Холла

По TI (SLYA090B), геркон — единственный из магнитных выключателей, который не потребляет тока, и он может сам коммутировать нагрузку: Allegro указывает для него ток больше 1 А (AN296192, табл. 1). Зато его контакты дребезжат при замыкании и изнашиваются, баллон хрупок и плохо подходит для автоматического монтажа. У геркона, по TI, бывают зоны, где он не замечает магнит, но срабатывает, если повернуть магнит на 90°, и несколько точек срабатывания при движении магнита. Датчик Холла требует питания, но экономичные модели с выборкой по таймеру потребляют доли микроампера и не изнашиваются.

Пример для Arduino

Arduino Uno с питанием 5 В: униполярный DRV5023FA считает обороты по одному магниту на валу, линейный DRV5055A2 измеряет поле.

// Arduino Uno, 5 V supply.
// DRV5023FA: OUT -> D2, 10 kOhm pull-up to 5 V, 0.01 uF from VCC to GND.
//            One magnet on the shaft, south pole facing the marked side.
// DRV5055A2: OUT -> A0, 0.01 uF from VCC to GND, 50 mV/mT at 5 V.

const uint8_t SWITCH_PIN = 2;               // D2 = INT0
const uint8_t LINEAR_PIN = A0;
const uint8_t PULSES_PER_REV = 1;           // magnets on the shaft
const float SENS_MV_PER_MT = 50.0;          // DRV5055A2 at VCC = 5 V
const float MV_PER_CODE = 5000.0 / 1024.0;  // ratiometric: ADC reference is VCC

volatile uint32_t pulses = 0;
float zeroCode = 512.0;                     // ADC code at 0 mT, measured in setup()

void onPulse() {
  pulses++;                                 // output falls when B exceeds B_OP
}

float readAverage(uint8_t pin, uint8_t count) {
  uint32_t sum = 0;
  for (uint8_t i = 0; i < count; i++) sum += analogRead(pin);
  return (float)sum / count;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(SWITCH_PIN, INPUT);               // external pull-up on the board
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(SWITCH_PIN), onPulse, FALLING);
  zeroCode = readAverage(LINEAR_PIN, 64);   // keep magnets away at start-up
}

void loop() {
  static uint32_t lastMs = 0;
  if (millis() - lastMs < 1000) return;
  lastMs += 1000;

  noInterrupts();
  uint32_t count = pulses;
  pulses = 0;
  interrupts();
  float rpm = count * 60.0 / PULSES_PER_REV;

  float code = readAverage(LINEAR_PIN, 16);
  float mT = (code - zeroCode) * MV_PER_CODE / SENS_MV_PER_MT;  // positive = south pole

  Serial.print(rpm, 0);
  Serial.print(" rpm, ");
  Serial.print(mT, 2);
  Serial.println(" mT");
}

analogRead() по умолчанию берёт опорным питание AVCC: в ядре Arduino DEFAULT = 1, это биты REFS = 01 (табл. 24-3 даташита ATmega328P). Поэтому пересчёт логометрический, и колебания питания 5 В на результат почти не влияют. Ноль калибруется при запуске — магнит в это время держат подальше. Вывод D2 подключён к прерыванию INT0; в ядре Arduino для Uno digitalPinToInterrupt() возвращает номер прерывания только для выводов 2 и 3.

Типичные ошибки

• Нет подтяжки. У DRV5013, DRV5023 и DRV5032FC, AJ, ZE выход — открытый сток: без резистора вход микроконтроллера ничем не подтянут и читает случайные уровни.
• Магнит сбоку. Планарные датчики вроде DRV50xx и A1324 видят только составляющую поля, перпендикулярную верхней грани корпуса; повёрнутый магнит он может не заметить вовсе.
• Не тот полюс. Униполярный DRV5023 реагирует только на южный полюс у маркированной стороны. У DRV5053 с отрицательной чувствительностью южный полюс опускает выход ниже 1 В, а не поднимает.
• Расчёт по типовому порогу. Срабатывание гарантирует поле больше максимального B_OP, отпускание — меньше минимального B_RP; сверху нужен запас на нагрев магнита и допуски механики.
• Защёлка с одним магнитом. DRV5013AD, AG или BC без северного полюса не отпустит, у FA поведение без поля не гарантировано, а после включения в слабом поле состояние любой версии не определено.
• Медленный датчик на быстром валу. DRV5032 смотрит на поле 5–80 раз в секунду и пропускает короткие импульсы; для тахометра нужен DRV5013 или DRV5023.
• Ноль линейного датчика из даташита. У SS49E выход без поля — от 2,25 до 2,75 В: при 14 мВ/мТл это до ±18 мТл ошибки. Ноль калибруют на месте.
• Отдельная опора АЦП. Логометрический выход теряет преимущество, если опорное напряжение АЦП не от питания датчика.
• DRV5055 от 4 В. Его рабочие диапазоны — 3–3,63 и 4,5–5,5 В; около 4 В у датчика порог смены режимов, и чувствительность там не гарантирована (п. 6.3.5).
• Конденсатор прямо на выходе. У DRV5055 — только через резистор; у A1324 и DRV5053 ёмкость нагрузки не больше 10 нФ.
• Железо рядом. Стальной винт, кронштейн или корпус из стали перенаправляют поток, и расчёт расстояния перестаёт работать.