Sensori ad effetto Hall per applicazioni a bassa potenza

Un interessante articolo tecnico che spiega come vengono utilizzati i sensori ad effetto Hall per ridurre i consumi di differenti dispositivi elettronici, abilitando il funzionamento per lunghi periodi, 10 anni e più, anche nel caso di alimentazione a batteria.

I sistemi elettronici ben progettati utilizzano solo la potenza necessaria per ogni stato operativo.

Sebbene ciò sia fondamentale per i sistemi alimentati a batteria, anche nei sistemi alimentati con tensione di rete, un consumo contenuto consente di limitare la dissipazione del calore, massimizzare la durata del prodotto e risparmiare elettricità.

Le modalità a basso consumo funzionano al meglio quando passano senza problemi a una modalità di alimentazione più elevata senza che l’utente intraprenda alcuna azione. Questa automazione completa sarà fondamentale per i sistemi intelligenti del futuro. Quando la modalità di alimentazione può cambiare in base a qualche movimento meccanico che si verifica, i sensori ad effetto Hall rappresentano la migliore tecnologia utilizzare.

Sensori ad effetto Hall

I circuiti integrati a semiconduttore (IC) con elementi di rilevamento ad effetto Hall integrati sono utilizzati in tutto il mondo nei prodotti di uso quotidiano per la misurazione della posizione. Questi dispositivi sono utilizzati nell’elettronica personale, nei sistemi industriali, nei dispositivi medici, nelle automobili, negli aerei e nei veicoli spaziali.

Sebbene esistano altre tecnologie di rilevamento magnetico, l’effetto Hall continua a essere il più diffuso grazie al suo insieme unico di vantaggi:

• Basso costo: i circuiti integrati che incorporano elementi ad effetto Hall sono prodotti in serie con flussi di elaborazione CMOS standard.
• Elevata affidabilità: essendo sensori allo stato solido che misurano i campi magnetici senza contatto, i dispositivi possono funzionare per decenni.
• Semplicità: mentre l’interno di un circuito integrato incorpora migliaia di circuiti complessi, l’esterno della maggior parte dei dispositivi ha solo 3 pin. Il pin di uscita è un semplice indicatore della vicinanza a un magnete e i microcontrollori standard possono leggerlo direttamente.
• Rilevamento della distanza: i campi magnetici si propagano a distanza indisturbati attraverso la maggior parte delle sostanze. Ciò consente ai sensori di essere inglobati in prodotti che li proteggono dall’ambiente e li rendono invisibili all’utente.

Applicazioni

Per anni, laptop e tablet hanno utilizzato un’implementazione di rilevamento della transizione che coinvolge un sensore ad effetto Hall incorporato e un magnete per determinare se il coperchio è aperto o chiuso. Ciò fornisce efficienza energetica con uno schema di riattivazione completamente automatizzato. Quando il coperchio è chiuso, tutta l’elettronica può essere spenta ad eccezione del sensore e di un microcontrollore che ne monitora l’uscita digitale. Gli interruttori ad effetto Hall a bassissima potenza DRV5032 e TMAG5231 sono progettati per queste applicazioni.

I sistemi automobilistici stanno integrando più elettronica che mai e con ciò arriva la gestione intelligente dell’alimentazione. Per non scaricare la batteria dell’auto a motore spento, ciascuna centralina elettronica (ECU) necessita in genere di consumare meno di 100 µA. L’energia deve essere conservata e utilizzata con oculatezza, e ciò può essere ottenuto utilizzando sensori per trasferire l’alimentazione ai circuiti primari. Molti sistemi sono progettati per aumentare temporaneamente la potenza quando si verifica un evento, ad esempio quando viene aperta la portiera di un’auto, viene spostato il volante, viene premuto un pedale, un conducente si siede sul sedile o viene aperta una console. Un metodo impiegato consiste proprio nell’utilizzare sensori Hall a bassa potenza.

Le capsule utilizzate in ambito diagnostico che incorporano una videocamera sono una soluzione innovativa e non invasiva per esaminare il tratto digestivo del proprio corpo. Le dimensioni ridotte della pillola e la levigatezza esterna sono essenziali per il buon funzionamento. Non sarebbe possibile collegare un interruttore di alimentazione all’esterno della pillola, ma la minuscola batteria all’interno deve essere utilizzata con parsimonia, quindi è necessario accendere e spegnere il dispositivo in modalità wireless. Qui un circuito latch ad effetto Hall a bassa potenza (come il DRV5012) è una soluzione perfetta. Prima dell’ingestione, il medico attiva la pillola avvicinando il lato nord di un magnete e l’alimentazione può essere disattivata utilizzando il lato sud. Questa è un’implementazione molto più semplice, più piccola e più efficiente, rispetto all’utilizzo di un protocollo di comunicazione wireless.

I sensori di peso possono essere realizzati posizionando un magnete e un sensore molto vicini, con il peso che riduce lo spazio tra magnete e sensore. Un’altra applicazione riguarda l’integrazione in sedie per sapere se qualcuno è seduto, il che permette di realizzare innovative applicazioni smart.

Nel campo degli antifurti si vanno diffondendo i sistemi wireless con sensori alimentati a batteria per monitorare, ad esempio, porte e finestre. Utilizzando un sensore ad effetto di Hall e microcontrollori wireless, questi sistemi modulari possono funzionare per oltre 10 utilizzando una singola cella a bottone CR2032. Il progetto di riferimento TI TIDA-01066 ne è un esempio. La premessa per ottenere un tempo di funzionamento così lungo con una batteria così piccola è affidarsi al DRV5032 per rilevare una violazione della sicurezza e riattivare il microcontrollore CC1310 solo se necessario.

Considerazioni elettriche

Il dispositivo DRV5032 è disponibile in diverse versioni di frequenza di campionamento e driver di uscita: 5 Hz o 20 Hz e push-pull o open-drain. La versione a 5 Hz utilizza meno energia, ma aggiorna l’uscita ogni 200 ms anziché 50 ms della versione a 20 Hz. L’uscita push-pull utilizza meno energia dell’open-drain quando viene pilotato un basso livello, perché il circuito per un open-drain ha un resistore di pullup esterno a VDD e ciò provoca un percorso di dispersione di corrente pari al rapporto VDD/RPULLUP.

Poiché il dispositivo DRV5032 ha una tensione di alimentazione di esercizio compresa tra 1,65 e 5,5 V, può essere alimentato direttamente da varie batterie, tra cui una agli ioni di litio da 3 V, due o tre batterie alcaline o NiMH in serie o una batteria ai polimeri di litio da 4 V. Per stimare la durata della batteria quando si alimenta il sensore, è possibile utilizzare il valore in mAh della batteria al suo assorbimento di corrente più basso, tenendo conto anche della sua autoscarica.

Ad esempio, una tipica batteria CR2032 ha una potenza nominale di 210 mAh con l’1% di autoscarica all’anno. La versione DRV5032 a 5 Hz utilizza in genere 0,69 µA a 3 V. 210 mAh / 0,00069 mA = 300.000 ore, ovvero circa 26 anni inclusa l’autoscarica.

L’uscita digitale di un sensore Hall in un sistema con controllo dell’alimentazione si collega in genere a un microcontrollore GPIO o all’ingresso di controllo di un interruttore del carico.

Il GPIO può essere configurato come ingresso di interrupt per rilevare la variazione della tensione del sensore, per decidere quando attivare il resto del sistema.

Quando viene utilizzato un interruttore di carico, il progettista dovrebbe considerare se il magnete sarà vicino o lontano dal sensore quando l’alimentazione del sistema è abilitata. La maggior parte degli interruttori ad effetto Hall emettono una bassa tensione quando il magnete è vicino e un’alta tensione quando il magnete è lontano.

• Se l’alimentazione deve essere abilitata quando il magnete è vicino al sensore, è necessario utilizzare un interruttore di carico attivo basso, come il TPS22910A.
• Se l’alimentazione deve essere abilitata quando il magnete è lontano dal sensore, è possibile utilizzare un interruttore di carico attivo alto come il TPS22914.

Infine, il sensore magnetico utilizzato non deve necessariamente avere un basso consumo energetico. Un basso consumo energetico può infatti essere ottenuto anche eseguendo il duty-cycling esterno tramite un pin di sospensione/abilitazione (se il dispositivo ne ha uno) o eseguendo il duty-cycling del pin VCC del dispositivo, come descritto dal white paper SLYY058.

Tabella 1. Dispositivi alternativi raccomandati

Tabella 2. Articoli tecnici correlati