Gli interruttori a effetto Hall in-plane come il TMAG5134 di Texas Instruments stanno plasmando il futuro del rilevamento della posizione magnetica e rappresentano una valida alternativa ai sensori AMR, TMR e reed. In questo articolo tecnico vengono illustrati i vantaggi di questa tecnologia.
I dispositivi dotati di sensori di posizione magnetici intelligenti – sensori per porte e finestre, serrature elettroniche intelligenti (mostrate in Figura 1), laptop, auricolari, tablet, smartphone e contatori di acqua e gas – dipendono tutti da interruttori più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico. Gli interruttori magnetici spesso devono rilevare campi magnetici paralleli o orizzontali rispetto al circuito stampato (PCB), un tipo di orientamento di rilevamento chiamato in-plane.
Figura 1. Le serrature elettroniche si basano su interruttori con sensori magnetici.
Gli interruttori magnetici in-plane più diffusi sono gli interruttori magnetoresistivi anisotropici (AMR), gli interruttori magnetoresistivi a tunnel (TMR) e gli interruttori reed. AMR e TMR funzionano modificando la resistività in base all’angolo e all’intensità del campo magnetico mentre gli interruttori reed sono costituiti da due pezzi di metallo ferromagnetico incapsulati in un tubo di vetro. I pezzi entrano in contatto quando incanalano tra loro un campo magnetico sufficientemente intenso.
Sebbene AMR, TMR e gli interruttori reed siano le soluzioni più diffuse sul mercato, presentano alcuni svantaggi. Poiché gli interruttori reed sono racchiusi in un tubo di vetro o in un altro involucro ermeticamente sigillato, il contenitore è grande e costoso, e soggetto a torsione se posizionato accanto a un magnete (vedere Figura 2). Gli involucri possono anche rompersi facilmente dopo 0,1÷1 milione di cicli di commutazione, il che rende la tecnologia meno durevole e affidabile. Inoltre, gli interruttori reed non sono in grado di rilevare i campi magnetici con un elevato livello di precisione.
Un’altra sfida nella progettazione con interruttori reed è il possibile debounce, che è il risultato di una collisione elastica in cui le due lamelle si separano dopo essere entrate in contatto. Il debounce prolunga il tempo di assestamento del segnale e può compromettere l’integrità della trasmissione se non gestito.
Figura 2. Risposta simulata di un interruttore reed che mostra una densità di flusso magnetico concentrata tra le punte delle due lamelle.
I sensori AMR e TMR sono costosi da produrre a causa della loro complessa stratificazione di strati metallici. La creazione di questi strati metallici richiede attrezzature di deposizione specializzate, difficili da reperire e che possono comportare limitazioni di fornitura; inoltre, gli strati devono essere magnetizzati.
Una nuova era per il rilevamento magnetico
La domanda di tecnologia a effetto Hall è in crescita perché offre sensibilità e consumi energetici simili a quelli dei comuni interruttori, pur essendo scalabile e più economica. Gli interruttori a effetto Hall funzionano monitorando la variazione di tensione in base all’intensità del campo magnetico.
L’interruttore a effetto Hall in-plane TMAG5134 di Texas Instruments (Figura 3) è dotato di un concentratore magnetico integrato, costituito da due piastre metalliche posizionate sopra l’elemento sensibile. Il concentratore focalizza il campo magnetico sull’elemento sensibile, amplificandolo e consentendo il rilevamento di campi magnetici troppo deboli per essere misurati efficacemente con i soli sensori a effetto Hall. La capacità del TMAG5134 di rilevare campi magnetici deboli (fino a 1 mT) consente l’utilizzo di magneti di piccole dimensioni, riducendo i costi a livello di sistema.
Le prestazioni generate dal concentratore magnetico integrato del TMAG5134 e i costi di produzione della tecnologia a effetto Hall lo rendono un valido concorrente degli interruttori AMR, TMR e reed, con costi di sistema significativamente ridotti.
Figura 3. Orientamento di rilevamento in-plane dell’interruttore a effetto Hall TMAG5134 di Texas Instruments.
Il concentratore magnetico integrato riduce il consumo energetico rispetto ai sensori a effetto Hall standard perché amplifica il segnale, eliminando la necessità di polarizzare il sensore con la stessa corrente. Il TMAG5134 può consumare fino a 0,6 µA di potenza.
Inoltre, l’orientamento di rilevamento in-plane del TMAG5134 offre maggiore flessibilità nella progettazione del sistema se si rilevano campi magnetici paralleli o orizzontali rispetto al PCB. È possibile risolvere questo problema utilizzando un interruttore a effetto Hall in un package TO-92, ma ciò occupa più spazio sulla scheda. Poiché il TMAG5134 è un interruttore a effetto Hall, rileva i campi magnetici senza contatto, riducendo l’usura e aumentando l’affidabilità e la resilienza rispetto agli interruttori meccanici.
Texas Instruments dispone di uno strumento di simulazione magnetica chiamato Texas Instruments Magnetic Sense Simulator (TIMSS), con il quale è possibile simulare il campo magnetico e l’uscita del sensore in base al posizionamento del magnete del sensore. TIMSS riduce le revisioni di progettazione del sistema e dell’intero prodotto e consente rapidi esperimenti con diverse tolleranze di sistema. È possibile selezionare il TMAG5134 in TIMSS e ottenere una visualizzazione 3D del campo magnetico e dell’uscita del dispositivo che si vedrebbero nel sistema.
I progettisti spesso devono considerare costi, consumi e soglia operativa quando scelgono la tecnologia giusta (vedere Tabella 1).
Tabella 1. L’interruttore a effetto Hall TMAG5134 a confronto con altre tecnologie di rilevamento in-plane.
Applicazioni di rilevamento più intelligenti
Le funzionalità degli interruttori a effetto Hall in-plane come il TMAG5134 includono i seguenti esempi:
- Nei sistemi di domotica, inclusi sensori per porte e finestre e serrature elettroniche intelligenti:
- Rilevamento dell’apertura o della chiusura di una porta o di una finestra da parte degli utenti.
- Monitoraggio della posizione del catenaccio per determinare lo stato di una porta.
- Prolungamento della durata della batteria.
- Nell’elettronica di consumo come notebook, tablet e auricolari:
- Rilevamento dell’apertura o della chiusura del coperchio di un notebook o di un tablet da parte degli utenti, oppure dell’apertura di un notebook di 360 gradi da parte degli utenti. Nei notebook e nei tablet, lo schermo si accende o si spegne in base al suo stato di apertura e chiusura.
- Rilevamento dell’apertura o della chiusura del coperchio della custodia di ricarica degli auricolari, oppure dell’inserimento o della rimozione degli auricolari dalla custodia. Entrambe le azioni determinano lo stato di carica degli auricolari.
- Nelle infrastrutture energetiche:
- Rilevamento dello strisciamento di un magnete nei contatori di acqua e gas per mettere il contatore in modalità diagnostica.
- Rilevamento del posizionamento di un magnete esterno sul contatore per interrompere la misurazione.
Conclusione
Gli interruttori a effetto Hall in-plane come il TMAG5134 stanno plasmando il futuro del rilevamento della posizione magnetica. In futuro, dispositivi come il TMAG5134 potrebbero essere adatti a prodotti come visori per realtà aumentata o virtuale e smart glass. La combinazione di buone prestazioni e basso costo rende gli interruttori a effetto Hall in-plane TMAG5134 una scelta interessante.
Risorse aggiuntive
- Modulo di valutazione Hall-effect breakout adapter evaluation module
- Valutazione rapida di progetto con il TMAG5134EVM.
- Video TI Precision Labs sui sensori magnetici.
Rishi Ramabadran è Product Marketing Engineer presso Texas Instruments.
