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HAL880: il nuovo sensore ad effetto Hall di Micronas

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Micronas ha recentemente annunciato la prossima uscita sul mercato di HAL880, un sensore ad effetto Hall di tipo lineare e programmabile che si aggiunge alla già esistente famiglia di sensori HAL 8xy. Questo nuovo sensore presenta due caratteristiche principali:

  1. la linearità: ciò significa che l’uscita analogica del sensore risulta proporzionale alla misura del campo magnetico rilevata dal sensore stesso. Questi tipi di sensori ad effetto Hall dispongono di tre pin: due sono riservati per l’alimentazione, mentre il terzo corrisponde all’uscita analogica del sensore
  2. è programmabile: le tolleranze del sistema in cui viene inserito possono essere compensate attraverso un’appropriata configurazione (o programmazione) del componente stesso. L’effetto Hall, infatti, è influenzato sensibilmente dalle variazioni della temperatura esterna, dalla forza del campo magnetico, dalla sensibilità dell’Hall plate (l’elemento sensibile planare all’interno del sensore), dalla tensione di offset, e infine dalla temperatura del magnete. Ma come è possibile eseguire la programmazione del componente, dal momento che questo dispone di soli tre pin? Micronas ha adottato una soluzione interessante per consentire la programmazione del sensore: la tensione di alimentazione viene modulata in modo tale che questa venga riconosciuta dal sensore come una sequenza di programmazione, ed i parametri di configurazione sono memorizzati in una EEPROM interna; questa memoria include anche 13 bit addizionali riservati per mantenere informazioni tipiche del cliente. La programmazione del sensore è eseguita tramite un hardware dedicato (la scheda di programmazione Micronas, visualizzata nella figura seguente) connessa ad un PC tramite un’interfaccia seriale ed utilizzando un’applicazione software in VisualBasic fornita sempre da Micronas.

Inoltre, il sensore HAL880 dispone di una funzione di rilevamento dell’interruzione del collegamento, attivabile collegando in pull-up o pull-down un resistore da 5 KOhm.
All’interno del sensore sono presenti, nell’ordine:

  • un convertitore analogico digitale (ADC) il quale converte in formato digitale il signale ricevuto dall’Hall plate
  • un digital signal processor (DSP) con il compito di processare il segnale digitale compensando le variazioni di effetto Hall dovute alla temperatura, all’intensità del campo magnetico, alla temperatura del magnete, alla sensibilità dell’Hall plate, e alla tensione di offset
  • un convertitore digitale analogico (DAC) con risoluzione di 12 bit che fornisce un’uscita analogica con meno di 25 mV di rumore.

I parametri di programmazione del sensore (memorizzati durante la fase di programmazione) vengono mantenuti all’interno dell’ EEPROM presente nel sensore.

L’effetto Hall

L’effetto Hall fu scoperto dal dottor Edwin Hall nel 1879, durante il suo dottorato alla Johns Hopkins University di Baltimora. Ciò che Hall scoprì è il fenomeno seguente: se un magnete viene posto nelle vicinanze di una sottile lamina d’oro percorsa da un flusso di corrente (in modo tale che il flusso magnetico risulti perpendicolare al piano della lamina), sulla lamina si produce una differenza di potenziale (la cosiddetta tensione di Hall) che risulta perpendicolare sia al flusso di corrente che al flusso magnetico. Hall dimostrò inoltre che la tensione prodotta risulta proporzionale sia all’intensità di corrente che all’intensità del campo magnetico.

Dal punto di vista fisico, la tensione di Hall è determinata dalle forze di Lorentz generate dal magnete che, agendo sul flusso di corrente presente sulla superficie della lamina d’oro, disturbano le traiettorie degli elettroni e ne causano una concentrazione su un lato della lamina (ed una corrispondente lacuna sul lato opposto). Edwin Hall fu già all’epoca in grado di dimostrare al mondo accademico questa importante scoperta, diventando così uno scienziato famoso e rispettabile.

Tuttavia, un’applicazione reale e commerciale dell’effetto Hall è stata possibile soltanto settanta anni più tardi, grazie agli enormi progressi compiuti dalla tecnologia elettronica basata sul silicio. La tensione di Hall è di intensità molto piccola, soltanto alcune centinaia di microvolt con un campo magnetico applicato pari ad un gauss. Ciò significa che, al fine di produrre un sensore utilizzabile a livello pratico, è richiesta un’amplificazione del segnale; un amplificatore adatto deve avere basso rumore ed elevato guadagno. Occorre anche notare che il campo magnetico può essere sia positivo che negativo, ne consegue che l’uscita dell’amplificatore potrebbe essere positiva o negativa, richiedendo così due diverse tensioni di alimentazione.

Al fine di evitare questa complicazione, viene introdotto nell’amplificatore un bias fisso, in modo tale che la tensione di uscita, quando non viene applicato alcun flusso magnetico, non sia pari a zero, ma bensì pari al valore di bias. Un valore tipico per questo bias è pari alla metà della tensione di alimentazione, che corrisponde ad una tensione di uscita pari alla tensione di alimentazione quando il campo magnetico è tutto positivo (polo sud), e uguale a zero quando il campo magnetico è tutto negativo (polo nord). Questo, almeno, è il comportamento ideale e teorico.

Applicazioni dei sensori ad effetto Hall

I sensori basati sull’effetto Hall sono in grado di rilevare la presenza di un magnete senza richiedere un contatto fisico con esso. Tipiche applicazioni di questi sensori sono: rilevamento della posizione, rilevamento del verso di rotazione di un disco o di un albero motore, rilevamento del flusso nei fluidi, e misura della pressione.

Per esempio, se un magnete è collocato su di un disco connesso ad un albero motore, sarà possibile calcolare, tramite un sensore ad effetto Hall e un microcontrollore, la velocità angolare (normalmente espressa in rpm) del motore. Inoltre, se viene usata una coppia di magneti con polarità opposta, potrà essere rilevata anche la direzione (o fase): sarà sufficiente controllare quale dei due magneti passerà per primo davanti al sensore. I sensori ad effetto Hall sono ampiamenti utilizzati negli encoder, in cui occorre determinare sia la posizione che il verso di rotazione dell’albero rotore.

Il settore automotive è un altro campo di applicazione significativo per i sensori ad effetto Hall. Le tipiche applicazioni dei sensori Hall all’interno di un’autovettura sono le seguenti.

  • Rilevamento della posizione dei sedili: i moderni sistemi di sicurezza installati sulle autovetture, come ad esempio l’airbag, necessitano di conoscere la posizione fisica dei sedili in modo tale da prevenire l’attivazione dell’airbag con una forza eccessiva. A questo scopo, vengono utilizzati dei sensori ad effetto Hall di tipo unipolare oppure lineare. I sensori unipolari agiscono come un interruttore: essi rilevano semplicemente la presenza del campo magnetico e attivano corrispondentemente la loro uscita ad un valore alto oppure basso. Normalmente è richiesta una coppia di sensori unipolari per ogni sedile. Una soluzione più precisa e sofisticata si basa sull’adozione di sensori lineari: come già sappiamo, questi forniscono in uscita un valore analogico proporzionale all’intensità del campo magnetico, e sono pertanto in grado di rilevare la posizione esatta del sedile rispetto al volante. Le informazioni acquisite dai sensori sono poi inviate ad un’unità di controllo elettronica (ECU) che gestisce il sistema di sicurezza.
  • Sensori per l’aggancio delle cinture di sicurezza: si tratta di un’applicazione semplice ma estremamente importante per la sicurezza. Al fine di proteggere i passeggeri in caso di incidente o di urto violento, è importante assicurarsi che le cinture di sicurezza siano correttamente allacciate. Per questo tipo di applicazione dei sensori di tipo unipolare sono sufficienti.
  • Rilevamento della posizione del selettore cambio automatico. In questo caso il selettore può assumere una tra cinque possibili posizioni: Park, Reverse, Neutral, Drive, e Low. Un sensore unipolare associato ad ogni posizione potrebbe costituire una soluzione semplice ed efficiente.
  • Rilevamento del livello del carburante: viene usato un magnete posto all’interno del galleggiante del serbatoio, al fine di rilevare, tramite uno o più sensori in funzione del livello di precisione richiesto, la quantità di carburante disponibile nel serbatoio.
  • Sensori per il rilevamento della posizione delle valvole e dei pistoni nel motore.

 

 

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