בחירה ויישום של חיישן מיקום ליניארי עבור אמצעי בקרה לרכבים חסונים

השתלבות האינטרנט של דברים (IoT) באוטומציה של מפעלים והשימוש הגובר באלקטרוניקה ברכב, מחייבים את המתכננים לשקול היטב את אפשרויות השימוש בחיישנים. רכבים כגון טרקטורים ומלגזות מציבים אתגרי תכנון ייחודיים בכל הנוגע לחיישנים ליניאריים עבור אמצעי הבקרה. אמצעי בקרה אלה חייבים להיות מדויקים, מגיבים היטב, אמינים ועמידים, וכן להתמודד עם תנאי טמפרטורה קיצוניים, רעידות, זעזועים, אבק ולחות למשך שנים רבות עם תחזוקה מינימלית.

אחת האפשרויות העומדת בדרישות לגבי יישומים אלה היא חיישן אפקט הול ליניארי (linear Hall effect sensor). מכיוון שמדובר בחיישנים הפועלים ללא-מגע, ניתן לחזק אותם לעמידה בתנאי עבודה קשים.

מאמר זה עוסק בדרישות החישה של רכבים ובמה שהופך חיישני אפקט הול ליניאריים לאפשרות טובה. יוצגו בו חיישני אפקט הול ליניאריים מתוצרת Vishay באופן המפרט את המאפיינים שלהם ומתאר כיצד לבחור וליישם אותם בהצלחה.

מדוע רכבים חסונים זקוקים לאמצעי בקרה ייחודיים ומדויקים ביותר

רכבים חסונים פועלים לעתים קרובות בסביבות מסוכנות שבהן נדרשת פעולה מדויקת. לכן, אמצעי הבקרה של רכבים אלה חייבים להיות מדויקים מאוד ומגיבים היטב. יתרה מזו, אמצעי בקרה אלה נדרשים לעתים קרובות להתממשק עם כמה חיישני IoT מובנים ועם מערכות בקרה אוטומטיות. להלן כמה יישומים לדוגמה:

• ידיות ניהוג מלגזות: זיהוי מדויק של זווית ההגה (כלומר ידית הבקרה הראשית) מאפשר תמרון בטוח ויעיל, תכונה חשובה במיוחד במקומות צרים.
• העברת הילוכים בטרקטור: העברת הילוכים חלקה מצמצמת את השחיקה והבלאי של התמסורת ומשפרת את נצילות הדלק.
• מערכות התקת הדוושה: מדידות מדויקות מאפשרות שליטה מיטבית ברכב ותורמות לשיפור מאפייני הבטיחות, כגון הפחתת מהירות אוטומטית ועצירת חירום.

אמינות היא דרישת תכן נוספת. בסביבות כמו מחסנים ומתקני ייצור, אמצעי הבקרה עלולים להיחשף לחומרים מזהמים, לטמפרטורות קיצוניות ולהשחתה פיזית.

ולבסוף, לעתים קרובות רכבים חסונים מיועדים לשטח מוגבל מעצם תכנונם. לדוגמה, מלגזות בנויות בצורה קומפקטית ביותר כדי לאפשר תמרון מיטבי במעברים של מחסנים. לכן, חיישנים לאמצעי הבקרה של רכבים חסונים צריכים להיות בדרך כלל קטנים ככל האפשר.

מדוע חיישני אפקט הול ליניאריים מותאמים באופן ייחודי לאמצעי בקרה לרכבים חסונים

הדרישות לעמידות, למרחקי מהלך ארוכים ולמידות קטנות עלולות להקשות על הבחירה בחיישן מתאים עבור אמצעי בקרה לרכבים חסונים. חיישני אפקט הול ליניאריים הם אפשרות טובה, מכיוון שמדובר בטכנולוגיה ללא-מגע היכולה לעמוד במיליוני מחזורים ללא צורך בכוונון. בנוסף, הם זמינים במארזים קומפקטיים קלים להרכבה והם מציעים דיוק מעולה בזיהוי מיקום למרחק קצר.

כדאי לעמוד תחילה על טיבו של אפקט הול כדי להבין את היתרונות האלה. חיישן אפקט הול מפעיל זרם ממתח DC‏ (DC bias current) קבוע לאורך ציר אחד ולרוחב רצועה צרה של מתכת או מוליך-למחצה הנקרא 'אלמנט הול'. כאשר שדה מגנטי מופעל בניצב לכיוון הזרם, החלקיקים נושאי המטען מוסטים עקב כוח לורנץ, מצטברים בקצוות הנגדיים של אלמנט הול ויוצרים שדה חשמלי רוחבי הנקרא 'שדה הול', וכן הפרש פוטנציאלים על פני האלמנט הנקרא 'מתח הול'. מתח הול הוא פרופורציונלי למכפלת הזרם, השדה המגנטי וקבוע תלוי-חומר הנקרא 'מקדם הול'.

בחיישן ליניארי, אפקט הול יכול ליצור מתח יציאה שהוא פרופורציונלי למרחק שבין אלמנט הול לבין מגנט. כך מתקבלת חישת מיקום מדויקת ביותר למרחקים קצרים ובזמני תגובה מהירים.

חיישן אפקט הול ליניארי המתוכנן עבור אמצעי בקרה לרכבים חסונים

סדרת חיישני המיקום 20LHE של Vishay (איור 1) ממחישה את יתרונותיהם של חיישני אפקט הול ליניאריים. החיישנים מתאפיינים במהלך קצר של 10 מילימטרים (מ"מ) ובמהירות עקיבה של 60 מ"מ לשנייה (מ"מ/שנ'). הם מתאימים ביותר עבור אמצעי בקרה מדויקים ביותר של רכבים הודות לליניאריות שלהם, הניתנת להגדרה עד כדי ±1%.

איור 1: חיישני מיקום ליניאריים מבוססי אפקט הול סדרת 20LHE בעלי ליניאריות של ±1%. (מקור התמונה: Vishay)

חיישני סדרה 20LHE מתוכננים לפעול בתנאי סביבה קשים והם בעלי תוחלת חיים ללא תחזוקה של יותר מ-10 מיליון מחזורים. החיישנים מספקים קריאות מדויקות כאשר מופעל מתח ללא צורך בכיול או באתחול. בנוסף, חיישנים אלה מספקים יציבות מעולה ללא סחיפה של הליניאריות. ההיסטרזיס הסטטי מוגבל ל-0.1% ממתח ההזנה, ואילו ההיסטרזיס הדינמי הוא רק 0.25%.

החיישנים מורכבים על אוגן המאפשר התקנה קלה ופשוטה, כמוצג באיור 2, והציר יכול לבלוט 30 מ"מ מפני ההתקן כדי להקל על החיבור עם מנגנון הבקרה. עם זאת, המידות הכוללות של חיישן מסדרה 20LHE הן 46 × 20.8 × ‏37 מ"מ בלבד, ולכן אפשר להתאים אותו לתאים צפופים של רכבים.

איור 2: חיישני סדרה 20LHE הנם קומפקטיים וכוללים אוגן המאפשר הרכבה קלה ופשוטה. (מקור התמונה: Vishay)

שיקולי תכנון מכני לשימוש בחיישני אפקט הול ליניאריים

אמצעי בקרה לרכבים חסונים חייבים להציע אמינות גבוהה בסביבות לא מבוקרות. לכן, חיוני להתחשב ביכולתו של חיישן בקרה לרכב לעמוד בתנאים קשים. תנאים קשים מגדילים את הסבירות לפגיעה פיזית, וכך גם רעידות שמקורן, בין היתר, במנוע הרכב ובמתלים. חיישני סדרה 20LHE מציעים תכן פיזי חסון המסוגל לעמוד ברעידות של עד g‏20‏ וזעזועים של עד g‏50‏.

חיישני סדרה 20LHE נתונים במארז תרמופלסטי עמיד בפני אבק, נוזלים וטמפרטורות קיצוניות בתחום של C‏°‏40‏- עד 85°C‏+. דגמים בעלי החזרת קפיץ הם בעלי דירוג הגנת חדירות (IP) סביבתית IP51, וקיימים דגמים נוספים בעלי דירוג IP גבוה יותר.

דירוג IP מציין את רמת ההגנה שהמארז מקנה מפני חדירת עצמים מוצקים (הספרה הראשונה) ונוזלים (הספרה השנייה). במקרה של IP51‏, הספרה 5 מציינת כי המארז מוגן מפני חדירת אבק בכמות המספיקה להשפיע על פעולתו הרגילה של ההתקן, ואילו הספרה 1 מציינת כי המארז מוגן מפני טיפות מים הנופלות אנכית.

שיקולי התכן החשמלי עבור שימוש בחיישני אפקט הול ליניאריים

סביבות עבודה קשות מציבות גם סכנות אלקטרומגנטיות, כולל פריקות אלקטרוסטטיות ואינטראקציות שלא במתכוון בין מערכות החשמל והאלקטרוניקה השונות. חיישני סדרה 20LHE יכולים לעמוד במגוון רחב של סכנות כאלה. יש לציין במיוחד שהם יכולים לעמוד בפני מתח יתר של ‎+20 וולט ובמתח הפוך של ‎-10 וולט. מפרטי סביבה אחרים מתוארים בטבלה 1.

טבלה 1: סדרה 20LHE מתוכננת עבור עמידה בפני סכנות פיזיות ואלקטרומגנטיות. (מקור התמונה: Vishay)

חיישן אפקט הול ליניארי מחייב שיוך של התנגדות עומס כדי שיפעל כהלכה. עבור סדרה 20LHE, חברת Vishay ממליצה על התנגדות עומס מינימלית של 1 קילו-אוהם (kΩ).

בחירת חיישן אפקט הול ליניארי

דיוק הוא הפרמטר הראשון שיש לקחת בחשבון, שכן החיישן חייב לתמוך ברמת הדיוק הנדרשת לבקרה. במקרה של סדרה 20LHE‏, Vishay מציעה את הבחירה בין לינאריות של %‏2‏± עם ה-20LHE1XWA1P30‏ או לינאריות של %‏1‏± עם ה-20LHE1AWA1P30‏.

יציאת החיישן גם חייבת להתאים לצרכים של שאר חלקי מערכת הבקרה. אפשרויות אופייניות כוללות אפנון רציומטרי אנלוגי (analog ratiometric) או אפנון רוחב פולס (PWM). סדרה 20LHE מוצעת בשתי התצורות, והיציאה עולה או פוחתת ביחס למיקום החיישן. לדוגמה, בדגם 20LHE1AWB1P30 קיימת יציאה אנלוגית פוחתת, כלומר ערך היציאה הוא הנמוך ביותר כאשר ציר החיישן דחוס במלואו (איור 3).

איור 3: ה-20LHE1AWB1P30 מוצע עם יציאה אנלוגית פוחתת ומגיע לערך מינימלי כאשר ציר החיישן דחוס במלואו. (מקור התמונה: Vishay)

הציר עצמו דורש התייחסות. לדוגמה, חיישנים מסדרה 20LHE הם בעלי ציר של 3.175 מ"מ עם אפשרות לתבריג של M3 × 6 מ"מ. תצורה כזו עשויה לפשט את ההתקנה ולהבטיח חיבור בטוח יותר למנגנון הבקרה.

רוב הדגמים מסדרה 20LHE כוללים עם החזרת קפיץ. קפיץ זה מספק מנגנון מרכוז עצמי, המבטיח כי החיישן יחזור למיקומו המקורי בעת הפסקת פעולת הכוח שהתיק אותו ממיקומו. תכונה זו יכולה להועיל ביישומי בקרת רכב כגון חיישני מיקום מצערת, שבהם המפעילים מרבים להפעיל ולשחרר תשומה של כוחות. דגמים ללא קפיץ, כגון 20LHE2AWA1P30 , זמינים אף הם.

סיכום

חיישני אפקט הול ליניאריים הם אפשרות ללא-מגע מעולה עבור אמצעי בקרה לרכבים חסונים. סדרה 20LHE מגיעה בממדים פיזיים קומפקטיים ומורכבת על אוגן לצורך התקנה קלה ופשוטה. החיישנים גם חסינים במידה המאפשרת להם לעמוד בתנאי עבודה קשים ולספק דיוק יציב נוכח גורמי סיכון פיזיים ואלקטרומגנטיים ללא צורך בתחזוקה.