Czujnik Halla – zasada działania, typy, Allegro, Infineon, Melexis, aplikacje, usterki

Pytanie

czujnik halla

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Czujnik Halla (hallotron) to półprzewodnikowy element pomiarowy generujący napięcie proporcjonalne do składowej osiowej indukcji magnetycznej dzięki efektowi Halla.
• Służy do bezkontaktowej detekcji pola magnetycznego, a tym samym położenia, prędkości, natężenia prądu lub obecności obiektu.

Kluczowe punkty
• Bezkontaktowa zasada działania → wysoka niezawodność
• Dostępne wersje analogowe, cyfrowe (unipolarne, bipolarne, latch, omnipolarne) oraz 3-osiowe (3D)
• Bardzo szerokie zastosowania: motoryzacja, automatyka, pomiar prądu, elektronika użytkowa, IoT

Szczegółowa analiza problemu

1. Zjawisko Halla i model matematyczny

Dla płytki półprzewodnikowej o grubości \(t\) z prądem sterującym \(I\) umieszczonej w polu magnetycznym \(B\) (prostopadle do płaszczyzny płytki) napięcie Halla wynosi

\[ V_H = \frac{R_H \cdot I \cdot B}{t} \]

gdzie \(R_H = \frac{1}{q \cdot n}\) (stała Halla), \(q\) – ładunek elementarny, \(n\) – koncentracja nośników.
W praktycznych strukturach (GaAs, InSb, InAs, Si) napięcie jest rzędu µV-mV, stąd konieczność wbudowanego wzmacniacza różnicowego oraz układów kompensacji temperatury.

2. Architektura współczesnych układów

1. Element Halla (krzem lub związki III-V)
2. Źródło prądu (stabilizacja)
3. Wzmacniacz + filtr dolnoprzepustowy
4. Blok kompensacji offsetu i termicznej
5. Tor wyjściowy:
   • analog (ratiometryczny) lub
   • komparator + przerzutnik Schmitta (cyfrowy)
6. Opcjonalnie: ADC, interfejs SPI/I²C/BISS-C/SENT, autokalibracja, autodiagnostyka (ASIL-B / ASIL-D).

3. Klasyczne typy

• Analogowe liniowe (np. Allegro A1324 → 5 mV/G, BW 80 kHz)
• Cyfrowe unipolarne/bipolarne/latch/omnipolarne (np. Infineon TLE4905, Diodes AH314)
• Programowalne (np. Melexis MLX90393 – I²C, zakres 3-osiowy)
• Czujniki prądu (hala w szczelinie rdzenia ferromagnetycznego, np. Allegro ACS772, TI TMCS1100)

4. Projektowanie układu magnetycznego

1. Dobór magnesu: materiał (NdFeB, SmCo, ferryt), kształt (okrągły, kostka, pierścień), remanencja \(B_r\).
2. Orientacja: linie pola muszą przecinać chip prostopadle do płaszczyzny elementu Halla.
3. Szczelina powietrzna ∆ ≤ 1–5 mm (typowo) – im mniejsza, tym wyższe \(B\).
4. Symulacja FEM (np. Ansys Maxwell, Altair Flux) – minimalizuje ryzyko nasycenia lub zbyt słabego pola.

5. Charakterystyka dynamiczna

• Pasmo ≥ 100 kHz (przełączające) lub 1-2 MHz (specjalne Power Hall do pomiaru prądów przemiennych).
• Szumy 1/f oraz termiczne ograniczają minimalnie wykrywalne \(B\) (typ. 20-50 µT dla układów precyzyjnych).
• Histereza w cyfrowych ~1–10 mT → zapobiega drganiom wyjścia.

6. Czujniki Halla vs konkurencja

Aktualne informacje i trendy

• 3-osiowe czujniki Halla (Infineon TLE493D-P2B, TDK-Micronas HAL 39xy) → dokładny pomiar wektorowy, eliminacja magnesów pierścieniowych.
• Zintegrowane czujniki kąta/obrotu 16-bit (NXP KMZ60, Melexis MLX90371) certyfikowane do ISO 26262 ASIL-D.
• Ultra-low-power Hall dla IoT: <5 µA @1.8 V (Azoteq IQS624).
• Hall-based isolated current sensors do 1 kA, pasmo 250 kHz, izolacja 5,5 kVrms (Allegro AAHV, TI TMCS1101).
• Trend do integracji self-diagnostic (Vcc undervoltage, magnetic range plausibility, EEPROM CRC).
• ROSH III, REACH, “conflict mineral-free” oraz Fit-for-ASIL/B functional safety w nowych produktach.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Analogia: efekt Halla działa jak „ruch samochodów na skrzyżowaniu z wiatrem” – wiatr (pole magnetyczne) spycha auta (elektrony) na jedną stronę jezdni, tworząc różnicę ciśnień (napięcie).
• Przykład implementacji w silniku BLDC: trzy Hall’e przesunięte o 120° elektrycznie względem siebie detekują pozycję wirnika, generując sygnały komutacji.
• Pomiar prądu: przewód prądowy tworzy pole \(B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}\). Czujnik Halla umieszczony w szczelinie rdzenia ferromagnetycznego wzmacnia to pole, umożliwiając pomiar do setek amperów bez rezystora bocznikowego.

Aspekty etyczne i prawne

• Normy motoryzacyjne: AEC-Q100 (testy: HTOL, HAST, ESD, latch-up).
• Funkcjonalne bezpieczeństwo – ISO 26262, IEC 61508 (self-test, redundant channels).
• EMV/EMC – dyrektywa 2014/30/EU; wymóg odporności na ESD (ISO 10605) i pola LF/HF.
• Ochrona środowiska: zgodność z RoHS 3 (Pb, Hg, Cd, Cr-VI, PBB, PBDE, DEHP itp.), REACH (SVHC).

Praktyczne wskazówki

1. Umieść kondensator 100 nF SMD maks. 2 mm od pinu VCC.
2. Dla wyjścia open-collector/open-drain: rezystor pull-up 4,7–10 kΩ do VCC.
3. Zadbać o ciągłą referencję masy – szyny prądowe odseparować od sygnałowych.
4. Zaprojektuj slot na magnes w obudowie dla powtarzalnego „air-gap”.
5. W aplikacjach safety ważna diagnostyka: cykliczny self-test co 10 ms, weryfikacja napięcia Halla vs referencja.
6. Kalibracja po montażu (offset, gain) – w wersjach programowalnych można ją zapisać w e-fuse lub EEPROM.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Dryft termiczny: ±0,1 %/°C dla czułości, ±1 mT offsetu – kompensacja software lub sensorem z wewnętrzną kompensacją.
• Crosstalk osiowy w czujnikach 3D: konieczne macierze korekcji i LUT.
• Satysfakcjonujące ekranowanie magnetyczne jest trudne – zewnętrzne pola LF mogą wprowadzać błąd (np. przy zgrzewaniu punktowym).

Sugestie dalszych badań

• Eksploracja spintroniki (czujniki oporowo-magnetyczne oparte o efekt tunelowy – TMR) jako alternatywy dla Halla.
• Badania nad materiałami 2D (grafen, MoS₂) – przewidywany >10-krot­ny wzrost czułości.
• Rozwój AI-based self-calibration w układach SoC (edge-learning kompensujący tolerancje magnesu).
• Standaryzacja komunikacji (BISS-C, SPI/SAE J2716 SENT) w jedno-chipowych enkoderach magnetycznych.

Krótkie podsumowanie

Czujniki Halla pozostają trzonem bezkontaktowej detekcji pola magnetycznego dzięki prostej konstrukcji, integracji CMOS i niskiej cenie. Najnowsze rozwiązania (3D Hall, zintegrowane czujniki prądu, funkcjonalne safety) znacząco rozszerzają ich możliwości, wpisując się w trendy e-mobilności, IoT oraz przemysł 4.0. Prawidłowy dobór magnesu, odpowiednia topologia PCB i uwzględnienie wymagań funkcjonalnych (ASIL, EMC) są kluczowe dla sukcesu projektu.