Cовременные магнитные датчики превосходят традиционные механические герконы по быстродействию, надежности, стоимости и, к тому же, отличаются меньшими габаритными размерами. Интерес к ним постоянно растет. По этой причине в последнее время все чаще появляются сообщения о выпуске новых сенсоров подобного типа. Некоторые производители ориентируются на промышленные приложения, например, Texas Instruments выпускает датчики DRV50xx с широким диапазоном напряжений питания до 38 В. Другие компании видят больше перспектив в коммерческом сегменте и малопотребляющих устройствах для Интернета вещей (IoT). В частности компания Crocus Technology предлагает серию датчиков CT51x, которые могут применяться в системах с самыми жесткими ограничениями по уровню потребления.
 |
|
| Рис. 1. | CT51x – магнитные датчики с ультранизким потреблением от Crocus Technology. |
Герконы – это коммутирующие устройства, у которых замыкание и размыкание контактов происходит под действием магнитного поля. В самом простом случае геркон представляет собой пару нормально разомкнутых подвижных ферромагнитных электродов, помещенных в стеклянную колбу (Рис. 2). Существуют и другие типы герконов (нормально-замкнутые, нормально-разомкнутые, с переключающими контактами).
 |
|
| Рис. 2. | Структура простейшего геркона. |
При отсутствии внешнего магнитного поля электрический контакт между электродами геркона отсутствует. С ростом магнитного поля магнитодвижущая сила возрастает. В определенный момент она преодолевает сопротивление сил упругости подвижных контактов, после чего электроды замыкаются (Рис. 3).
 |
|
| Рис. 3. | Срабатывание геркона под действием магнитного поля. |
Казалось бы, такая система является достаточно простой, надежной и проверенной временем, однако у нее есть недостатки. Во-первых, несмотря на простоту и надежность, классический геркон является механическим компонентом, у которого есть ограничение по числу срабатываний. Это связно с различными факторами (снижение упругости контактов, механическое разрушение контактов и т. д.). Во-вторых, наличие стекла в конструкции – уязвимое место для геркона, так как этот материал является достаточно хрупким. В-третьих, скорость включения и выключения геркона ограничена. В-четвертых, габариты такой конструкции по определению не могут быть скромными. В-пятых, цена геркона оказывается значительной. Все это подталкивает разработчиков электроники к переходу от классических герконов к полупроводниковым датчикам магнитного поля (Рис. 4).
 |
|
| Рис. 4. | Замена герконов на полупроводниковые магнитные датчики. |
С точки зрения удобства эксплуатации полупроводниковые сенсоры оказываются такими же простыми, как и классические герконы. Магнит может располагаться достаточно свободно относительно датчика (Рис. 5). Вместе с тем, ключевые различия спрятаны внутри сенсоров.
 |
|
| Рис. 5. | CT51x допускает поворот магнита на 360 градусов. |
Обычный геркон имеет два устойчивых состояния: замкнутое и разомкнутое. В магнитных датчиках от Crocus Technology чувствительный элемент представляет собой не выключатель, а переменный резистор MLU (Magnetic Logic Unit) (Рис. 6). В случае однополярного сенсора при отсутствии внешнего поля сопротивление резистора велико и составляет примерно 20 кОм. При увеличении магнитной индукции (свыше 3 мТл) сопротивление резистора скачком уменьшается до 10 кОм. Если начать уменьшать индукцию, то переключение в высокоомное состояние произойдет не при 3 мТл, а примерно при 1.5 мТл.
 |
|
| Рис. 6. | Отличие чувствительных элементов в реальном герконе и в CT51x. |
Таким образом, датчик имеет две важные особенности. Во-первых, переключения происходят с гистерезисом, что очень важно для получения высокой помехозащищенности и защиты от ложных срабатываний при механическом дребезге. Во-вторых, несмотря на наличие двух устойчивых состояний, MLU не является «по-настоящему» цифровым, так как высокое сопротивление 10 кОм не позволяет добиваться логических уровней напряжения на выходе датчика (при прямом подключении, как на Рис. 6). Поэтому существует два варианта преобразования сигнала: использовать АЦП или нормировать его с помощью компаратора.
Однако для пользователей датчиков CT51x задача существенно упрощается, так как в микросхеме кроме MLU интегрирован компаратор и управляющая логика. Благодаря компаратору на выходе датчика присутствует «по-настоящему» цифровой сигнал (Рис. 7).
 |
|
| Рис. 7. | Выходная характеристика магнитных датчиков CT51x. |
CT51x — семейство магнитных датчиков с ультранизким потреблением. В настоящий момент семейство объединяет полтора десятка представителей (Рис. 8):
- с частотой выборки 10/ 800/ 3000 Гц;
- с цифровым выходом или выходом типа открытый сток;
- с двумя корпусными исполнениями SOT-23 и TO-92 (Рис. 8).
 |
|
| Рис. 8. | Корпусные исполнения магнитных датчиков CT51x. |
Магнитные датчики CT51x от Crocus Technology, свободны от недостатков, характерных для традиционных механических герконов, и имеют следующие преимущества:
- высокая чувствительность;
- высокая надежность и отсутствие подвижных частей;
- минимальное потребление;
- высокая скорость работы;
- два типа выходного сигнала (цифровой или открытый сток);
- разумная стоимость.
Разумеется, большая часть из перечисленных достоинств относится ко всем бесконтактным датчикам, однако сенсоры CT51x ориентированы в первую очередь для работы в составе устройств с жесткими ограничениями по уровню потребления. По данному параметру датчики CT51x обходят своих конкурентов. Например, среднее потребление CT511VA составляет всего 250 нА (Рис. 9).
 |
|
| Рис. 9. | Типовой средний ток потребления магнитных датчиков CT51xVA составляет около 250 нА. |
Для сравнения: промышленные датчики DRV5013 от Texas Instruments имеют среднее потребление порядка 2 мА, что в 8000 раз больше, чем у CT511VA. Малоптребляющие сенсоры DRV5032 отличаются током питания до 20 мкА, что по-прежнему в 80 раз больше, чем у продуктов от Crocus Technology.
Есть две основных причины столь низкого потребления. Во-первых, микросхемы CT51xVA построены на базе фирменного экономичного магнитного сенсора. Во-вторых, минимизация потребления осуществляется с помощью интеллектуальной системы питания (Рис. 10). Дело в том, что микросхема имеет два режима работы: активный режим и режим сна. Уровни потребления в этих режимах отличаются в сотни раз. Таким образом, чем реже датчик «просыпается», и чем меньше времени он «бодрствует», тем ниже средний ток потребления.
 |
|
| Рис. 10. | Структура магнитных датчиков CT51x. |
Например, для CT511VA в режиме сна ток составляет 170 нА, а при выполнении измерений возрастает до 80 мкА. Так как большую часть времени датчик находится в режиме пониженного потребления и пробуждается редко (10 раз в секунду), то средний ток оказывается равным примерно 250 нА, что значительно меньше, чем у аналогов, производимых другими компаниями. Конечно, остальные датчики семейства CT51x имеют более высокую частоту измерений и для них уровень потребления выше.
Здесь хочется отметить, что в этой статье не ставится задача доказать, что датчики CT51x лучше, чем все существующие аналоги. Например, сенсоры DRV5013 от Texas Instruments разрабатывались для промышленных приложений и имеют гораздо более широкий диапазон питания до 38 В и высокий выходной ток. Таким образом сравнивать эти датчики не всегда возможно. Тем не менее, CT51x будут более предпочтительны для устройств с батарейным питанием и жесткими ограничениями по уровню потребления.
Семейство CT51x объединяет магнитные датчики с различными типами выхода, но схемы их включения оказываются максимально простыми (Рис. 11).
 |
|
| Рис. 11. | Схема включения магнитных датчиков CT51x. |
Магнитные датчики CT51x с ультранизким потреблением будут оптимальным выбором для целого ряда приложений с жесткими ограничениями на уровень потребления: смартфоны, планшеты, ноутбуки, системы сигнализации, датчики уровня жидкости, счетчики потребления газа/ воды и т. д.
Характеристики магнитных датчиков CT512VA-IS3:
- тип выхода: цифровой;
- частота выборок: 10 Гц;
- магнитодвижущая сила срабатывания: 3 мТл;
- магнитодвижущая сила отпускания: 1.5 мТл;
- типовое среднее потребление: 250 нА;
- потребление в активном режиме: 80 мкА;
- потребление в спящем режиме: 170 нА;
- время в активном состоянии: 80 мкс;
- время в спящем состоянии: 80 мс;
- максимальный выходной ток: 20 мА;
- напряжение питания: 2.7…3.6 В;
- диапазон рабочих температур: –40…+85 °C;
- корпус: SOT-23.
Характеристики униполярных магнитных датчиков CT511VA-IS3:
- тип выхода: открытый сток;
- частота выборок: 10 Гц;
- магнитодвижущая сила срабатывания: 3 мТл;
- магнитодвижущая сила отпускания: 1.5 мТл;
- типовое среднее потребление: 250 нА;
- потребление в активном режиме: 80 мкА;
- потребление в спящем режиме: 170 нА;
- время в активном состоянии: 80 мкс;
- время в спящем состоянии: 80 мс;
- максимальный выходной ток: 20 мА;
- напряжение питания: 2.7…3.6 В;
- диапазон рабочих температур: –40…+85 °C;
- корпус: SOT-23.
О компании:
 |
Crocus Technology – компания-разработчик и производитель магнитных датчиков и магнитной памяти. Продукты компании построены на базе запатентованной технологии Magnetic Logic Unit™ (MLU). |
