Обзор магниторезистивных полупроводниковых датчиков NXP Semiconductors

Магниторезистивные датчики фирмы NXP Semiconductors разработаны на основе эффекта изменения ориентации намагниченности М внутренних доменов в слое пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля H. Сопротивление пермаллоя зависит от угла (a) между направлением тока и вектором намагниченности M (см. рис. 1). Так, если угол равен 90°, то сопротивление датчика минимально. С уменьшением угла вплоть до 0° сопротивление возрастает.

Рис. 1. Принцип магниторезистивного эффекта

Магниторезистивные датчики компании NXP имеют следующие особенности:

• датчики реагируют на направление поля, а не на силу поля, как в эффекте Холла (Hall-Effect);
• чувствительной зоной в сенсоре является область с максимальным насыщением напряженности поля, поэтому достигаются:
  • независимость от магнитного дрейфа (life time);
  • независимость от механических допусков (расстояния между магнитом и датчиком);
  • независимость от механических изменений, вызванных тепловым напряжением;
  • высокая стабильность по температуре; расширенный температурный диапазон от -40°C до +160°C.

Магниторезистивные датчики могут с успехом применяться для:

• измерения частоты вращения (АБС, КПП, управление двигателями и т.д.);
• измерения угловой координаты (посудомоечные машины, робототехника, вильчатые подъемники, регулируемые сидения, рулевое управление, регулировка фар и т.д.).

Типы сенсоров MXP, произведенных по магниторезистивной технологии

Измерение частоты вращения

Принцип измерения частоты изображен на рисунке 2. На нем видно, что сигнал с выхода датчика изменяется в зависимости от положения зубца металлической шестеренки, т.к. меняется направление линий магнитного поля. Таким образом, на каждый зуб шестеренки приходится один период изменения сигнала с выхода датчика. Обработав такой сигнал аппаратными или программным способом, можно легко подсчитать частоту вращения металлической детали с зубцами.

Рис. 2. Принцип измерения частоты

Для измерения частоты вращения предназначаются датчики KMI15, KMI16, KMI18. Датчики поставляются в комплекте с магнитом.

Таблица 1. Датчики для измерения частоты вращения

Тип	Рабочий зазор, мм	Размер магнита, мм	Рабочая температура,°C	Тип выхода	Корпус
KMI15/1	2,5	8,0x8,0x4,5	-40...85	токовый	SOT453
KMI15/4	2	5,5x5,5x3,0	-40…85	токовый	SOT454
KMI15/2	2,5	3,8x2,0x0,8	-40…85	токовый	SOT455
KMI16/1	2,5	8,0x8,0x4,5	-40…150	откр. коллектор	SOT477
KMI18/2	2,5	3,8x2,0x0,8	-40…150	откр. коллектор	SOT477A
KMI18/4	2,5	5,5x5,5x3,0	-40…150	откр. коллектор	SOT477A

Измерение угловой координаты

Принцип измерения углов и выходной сигнал сенсора показан на рисунке 3. Видно, что сигнал имеет форму синуса. Благодаря этому датчик позволяет измерять углы в диапазоне ±45°. Если же взять два датчика и разместить их под углом 45° относительно друг друга, то на выходе такого сенсора будет два сигнала - синус и косинус, что позволит расширить диапазон измеряемых углов до ±90°.

Рис. 3. Принцип измерения угловой координаты

Для измерения углового положения производятся датчики KMZ41, KMZ43 и KMA200, KMA199E.

Обработку сигналов с датчиков KMZ41, KMZ43 рекомендуется выполнять на чипах UZZ9000 и UZZ9001. Например, связка из KMZ41 и UZZ9000 позволяет добиться следующих результатов:

• механическая надежность;
• диапазон измеряемых углов ±90 °;
• высокая точность: абсолютная ошибка 0,6° - 1,2° (зависит от температуры);
• относительная ошибка менее 0,6%; разрешение более 0,05°.

Наиболее эффективными из датчиков углового положения компании NXP являются программируемые сенсоры KMA200 и KMA199E. Они содержат не только чувствительные элементы, но и сигнальный процессор. Сенсоры KMA200 и KMA199E рекомендуется для автомобильных применений: контроля углового положения дросселя и педалей в автомобиле.

Отличительные особенности KMA200:

• защита от переплюсовки питания до 16,5В
• максимальное превышение напряжения 32В (400мс)
• отключение функций при превышении напряжения питания
• 4 аналоговых и 2 цифровых выхода (конфигурируемых пользователем)
• EEPROM (программируемая пользователем)
• автоматическая настройка смещения нуля
• Программируемый диапазон измерения угла <=180°
• Диапазон рабочих температур от -40°С до +160°С
• Подстройка смещения нуля
• Встроенная диагностика "на ходу" для всех основных функциональных блоков
• Функция отключения при постоянном превышенном напряжении

Функции диагностики:

• Контроль потери магнита
• Контроль температуры
• CRC для EEPROM и RAM
• Детектор сбоя генератора
• Сторожевой таймер

Ввиду того, что для некоторых приложений KMA200 выглядит несколько избыточным (не всегда нужны расширенные функции диагностики и защита от перенапряжения и переполюсовки), был разработан упрощенный датчик KMA199Е.

Основные отличия KMA199Е от KMA200:

• отсутствие диагностики (только CRC)
• 1 аналоговый выход (цифровой отсутствует)
• Нет защиты от перенапряжения и переполюсовки
• 3-х выводной корпус
• Более низкая стоимость

Таблица 2. Сравнение KMA200 и KMA199E

	KMA200	KMA199E
Защита от перенапряжения	26,5 В	Гальваническая развязка отсутствует. Импульсы спарены.
Защита от переполюсовки	- 16,5 В	Гальваническая развязка отсутствует. Импульсы спарены.
Количество выходов	2 аналог. / 1 цифр.	1 аналог.
Рабочая температура	-40 .. +160°С	-40 .. +160°С
Линейная погрешность	±1,65°	±1,55°
Функции диагностики	Полный набор функций	CRC при включении Контроль потери магнита Контроль потери питания

Подводя итоги, хочется порекомендовать, российским инженерам более активно использовать разнообразные сенсоры в своих разработках. Одним из хороших примеров может служить отечественный автопром, где наконец-то все чаще активно используются разработки в области электронной техники. Будем надеяться, что это обстоятельство позволит улучшить потребительские качества отечественных автомобилей в ближайшем будущем. Так, например, несколько компаний уже выпускают датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) на сенсоре KMA199.

Получить полную техническую поддержку вы можете, обратившись в компанию ООО "Гамма-Санкт-Петербург". Мы предлагаем образцы, отладочные средства для быстрого освоения датчиков NXP.

Владимир Захаров,
Компания Гамма Санкт-Петербург