ארבע סיבות להחליף מתג מגנטי (reed switch) בחיישן MR ביישומים מוזני סוללה

מהנדסי תכנון נהגו להשתמש במתגים מגנטיים ביישומים בעלי הספק נמוך, מוזני סוללה, מארבע סיבות עיקריות. המתג המגנטי המכני מציע צריכת הספק “אפס”, רגישות גבוהה ועלות נמוכה. בנוסף, לא הייתה טכנולוגיה חלופית מתאימה. יתרונות אלה אינם תקפים יותר במלואם הודות לאופציות ה-IC לחישה (MR) היכולות לספק חישה של מצב ללא צריכת הספק וירטואלית, רגישות גבוהה ואמינות ועמידות גבוהות, תוך זיווד במארז קטן.

לפני פיתוח חיישנים מוצקים, מתגים מופעלים מגנטית REED SW, אשר היו בנמצא מזה עשרות שנים, סיפקו פיתרון מוכח ולא-יקר עבור חישת המצב. המתג המגנטי הקרוי REED SW מורכב משני מוליכים פרו-מגנטיים האטומים הרמטית בקפסולה או שפופרת זכוכית. כאשר מגנט מגיע לתוך טווח המתג, כלומר כאשר שדה מגנטי מחובר למוליכים, המגעים נסגרים ויוצרים תופעה של מיתוג.
מתגים מגנטיים נשארו בחירה מועדפת של מתכננים רבים בשל הפשטות שלהם בתור מתג מכני והיעדר חלופות מתאימות, במיוחד ביישומים של הספק נמוך. מתגים מגנטיים מצאו משכן במגוון רחב של מוצרים. היישומים כוללים אלקטרוניקה צרכנית, מונים, אבטחה, מוצרים לבנים/מכשירים, ציוד רפואי, רובוטיקה וציוד אוטומציה.
אם כי מתגים מגנטיים הם שכיחים בסוגי יישומים אלה, מרבית המתכננים ערים לכך שלמתגים המגנטים יש חסרונות עיקריים אחדים. אלה כוללים סוגיות איכות בשל שבירות, הן בתהליך הייצור והן ביישומי הלם ורעידות, חיים מוגבלים בתור מתגים מכניים, סוגיות של ממד ושל אמינות בשל תופעת הקפיצה (bounce) (כאשר מגעי המתג המגנטי קופצים וגורמים ליישום להתחבר, להתנתק ולהתחבר שוב).
בעת שנעשו שיפורים בטכנולוגיה של תופעת Hall, חיישני תופעת Hall החלו מחליפים את המתגים המגנטיים ביישומים מוזני-סוללה אחדים כגון טלפונים סלולריים, מחשבים ניידים, אלקטרוניקה צרכנית ומוצרים לבנים. זו הייתה מגמה של מתכננים אשר הוסיפו לדרוש אמינות גבוהה יותר ומיתוג בעל ביצועים גבוהים יותר.
כדוגמת המתג המגנטי, חיישן תופעת Hall מופעל כאשר מגנט נכנס לתוך הטווח של ההתקן. אחד היתרונות הגדולים ביותר של חיישני תופעת Hall היא בכך שהם מוצקים וחסינים בפני שחיקה, הלם ורעידות. קפיצה של המתג איננה מהווה סוגיה מאחר שאין חלקים נעים בחיישן המוצק. בנוסף, התקני תופעת Hall הם יותר חזקים וקומפקטיים ממתגים מגנטיים, דבר העושה אותם למתאימים מאוד לשימוש ברבים מאותם היישומים. התמחור הוא גם דומה למתגים המגנטיים הלא-יקרים יחסית.
למרות יתרונות אלה והחדירה לתוך יישומים בעלי הספק נמוך אחדים, חיישני תופעת Hall אינם מסוגלים כיום להחליף את המתגים המגנטיים בהרבה יישומים מאחר שהם אינם עונים לדרישות הרגישות הגבוהה וההספק הנמוך ביותר החיוניות עבור התקנים מוזני-סוללה רבים.
בשביל מהנדסי תכנון המחפשים חלופה למתגים מגנטיים כדי להקטין את הממד, להעלות את האיכות והעמידות ולמרב את חיי הסוללה, קיימות טכנולוגיות MR חדשות המציעות דרישות הספק בתחום מתחת ל-500 ננו-אמפר, ביחד עם רגישות גבוהה ובמחירים שווי-ערך למתגים המגנטיים.
כמו חיישני ה-Hall, חיישני MR הם חיישנים מגנטיים מוצקים. ההבדל העיקרי הוא בכך שהם רגישים במישור המקביל של רכיב החישה לעומת המישור הניצב שבתופעת Hall, והם הרבה יותר רגישים לרוב.
דבר זה מאפשר לחיישני MR לשמש בכמעט כל יישום מוזן-סוללה. אחת הדוגמאות היא ה-Sensing and Control’s Nanopower SM351LT MR Sensor IC, המציע תחום רגישות של 7gauss אופייני/11Gauss מרבי ב-1.65 וולט באותו המחיר המעשי כמו פתרונות תחרותיים.
להלן ארבע סיבות – רגישות גבוהה, הספק נמוך, ממד קטן ויתרונות של מצב מוצק – מדוע מתכנני מוצרים מוזני-סוללה צריכים לשקול ביצוע מעבר ממתגים מגנטיים לחיישני MR.

רגישות גבוהה דרושה עבור ציוד מוזן-סוללה
חיישנים מגנטיים בעלי רגישות גבוהה מאפשרים ליצרנים להשתמש במגנטים קטנים יותר או חלשים יותר, דבר המקטין את העלות ומאפשר תכנונים קטנים יותר. סוגיה זו הפכה לגדולה יותר במהלך שנים אחדות בעבר מאחר שהמחיר עבור מגנטים עשויים אדמות נדירות עלה משמעותית. יתרון אחר הוא שהם מאפשרים חריץ אוויר גדול יותר, המספק גמישות גדולה יותר ומעניק למתכנן אפשרות למקם את החיישן רחוק יותר מהמגנט ועדיין לשמור על האמינות.
מתגים מגנטיים מציעים תחום רגישות גבוה הדרוש עבור יישומים בעלי הספק נמוך, והזנה מסוללה. הרגישות המגנטית של מתגים מגנטיים נמדדת
ב-ampere-turns (), בשעה שהרגישות של חיישני MR נמדדת ב-gauss. לדוגמה מתג מגנטי בעל רגישות גבוהה של 10AT יהיה שווה-ערך לחיישן מגנטי של 10 עד 20gauss. תחום הרגישות הגבוהה עבור חיישן של תופעת Hall, לדוגמה, הוא כ-30gauss. דבר זה אומר שמתג מגנטי יכול לחוש מטרה מגנטית בכפליים המרחק או יותר מאשר חיישן תופעת Hall, ולכן מציע גמישות תכנונית גבוהה יותר עבור היישומים הדורשים חריץ-אוויר גדול. אולם, למתגים מגנטיים יש מספר חסרונות, אשר יידונו מאוחר יותר.
כיום, מתגים מגנטיים הם לא רק האופציה היחידה של מתג בעל רגישות גבוהה, בשעה שיצרנים מוסיפים לקדם טכנולוגיות MR. לדוגמה, ה-Nanopower Anisotropic Magnetoresistive (AMR) Sensor ICs (SM351LT ו-SM353LT) מציעים רגישות שווה או גבוהה יותר מאשר מתגים מגנטיים. ה-SM351LT בעל רגישות גבוהה מאוד מציע פעולה אופיינית של
7gauss/11gauss מרבי. ה-SM353LT בעל הרגישות הגבוהה מציע פעולה אופיינית של 14gauss/20gauss מרבי, דבר האומר שהרגישות של חיישנים אלה שוות-ערך או גבוהה יותר מאשר המתגים המגנטיים בעלי רגישות גבוהה המקבילים.

לציוד מוזן-סוללה יש דרישות להספק מאוד נמוך
אחד היתרונות העיקריים של מתג מגנטי ביישומים מוזני-סוללה הוא שהוא איננו דורש הספק כדי להפעילו, ועושה בכך את הטכנולוגיה לאידיאלית עבור ציוד מוזן-סוללה.
עד לשנות ה-2000 המוקדמות, כל החיישנים המגנטיים השתמשו בהספק בתחום המילי-אמפרים, כך שלא ניתן היה להתחשב בהם עבור כל יישום נמוך-הספק. בערך בתקופה זו, מהנדסי חשמל החלו עובדים עם טכנולוגית CMOS, ובכך אפשרו למתכנני חיישנים מגנטיים להוסיף שעון פנימי לתוך ההתקנים במטרה להעניק להם מוד של שינה/קימה בכדי להנמיך את דרישות ההספק של החיישן.
בשעה שהטכנולוגיה השתפרה, צריכת ההספק של חיישנים מגנטיים צנחה למיקרו-אמפרים בעלי ספרה אחת. כיום, לדוגמה, לחיישני תופעת Hall יש דרישות הספק של 3-8 מיקרו-אמפר, תלוי ביצרן ובפריט. טכנולוגיות חיישנים MR חדשים דוגמת ה-Nanopower AMR Sensor IC של Honeywell, צורכות רק 360 ננו-אמפר, ומאפשרות לחיישן לשמש כתחליף למתגים מגנטיים ברוב הציוד המוזן-סוללה, בדורשם פי 10 פחות הספק מאשר חיישנים מתחרים.
ה-Nanopower AMR Sensor ICs יכולים לשמש למגוון יישומים מוזני-סוללה הכוללים כלי עבודה ניידים, מדי מים וגז, גלאי עשן תעשייתיים, ציוד לאימון, מערכות הבטחה, מחשבים ניידים וסורקים. הם יכולים לשמש במכשירים לבנים כמו מדיחי כלים, מיקרוגל, מכונות כביסה, מקררים ומכונות קפה, וציוד רפואי כמו מיטות לחולים, ארונות חלוקת תרופות, משאבות אינפוזיה ואלקטרוניקה צרכנית כגון מחשבי מחברת, טאבלטים ורמקולים אלחוטיים.

למתגים מגנטיים יש כמה חסרונות מובנים
למתגים מגנטיים כמה חסרונות מובנים, הכוללים רגישות לאירועי שבירה במהלך ההתקנה וביישומי הלם או רעידות, עמידות נמוכה יותר, חיים מוגבלים בשל האופי המכני של המתג, כמו גם סוגיות בגין “קפיצת מגעים”.
אמינות ועמידות הן אתגרים עבור המשתמשים במתגים מגנטיים. כאשר מוליכים של מתגים מגנטיים מולחמים למעגל, הם מתעקלים ויכולים לסדוק בקלות את כיסוי הזכוכית של המתג, אשר הופך אותו לבלתי-שמיש. למעשה, קיים מספר לא קטן של שבירות בסוג זה של יחידות, ולעתים די קרובות יצרני מתגים מגנטיים יספקו הוראות התקנה מאוד מפורטות במטרה לצמצם שבירות אלו. אחד הפתרונות הוא להכיל מתג מגנטי בתוך תיבת פלסטיק, אך הדבר מוסיף לעלות ולממד של המתג.
מתגים מגנטיים מושפעים גם מהלם ורעידות, היכולים להפריד בין המגעים של המתג, וגורמים בכך לפריט לא-אמין. מתגים מגנטיים מכניים יישחקו במשך הזמן. כתוצאה, מתכנני טלפונים סלולריים, לדוגמה, היו הראשונים לעבור לחיישני תופעת Hall. חיישנים מגנטיים הם התקנים במצב מוצק ללא חלקים נעים כך שהם לא יישחקו במהלך הזמן. הם גם מאוכסנים במארזי פלסטיק יצוקים לעומת שפופרת הזכוכית או המארז של מתגים מגנטיים.
“קפיצת מגעים” היכולה ליצור כמה מחזורי גע-תוק (גע-תוק-גע), יכולה לגרום לסוגיות עבור מתכננים המשתמשים במתגים מגנטיים. כדי לפתור את הבעיה, המהנדסים צריכים לשתול פונקציית “אי-קפיצה” בחומרה או בתוכנה, ולהוסיף בכך סיכון נוסף למערכת וזמן למחזור הפיתוח של המתכנן.
חיישני MR פותרים את כל הסוגיות הללו. בתור חיישן במצב מוצק במארז פלסטי יצוק, אין ליחידות אלה חלקים נעים והם למעשה חסינים לשברים ולשחיקה ושבירה.
הממד הגדול יחסית של מתגים מגנטיים הופך אותם לצוואר-בקבוק בתהליך מזעור המוצר. כאשר משווים מתגים מגנטיים וחיישני AMR החדשים באותו תחום רגישות, מתגים מגנטיים הם משמעותית גדולים יותר מאשר המארז SOT-23, בעל מידות של 2.9×2.8×1.45ממ’. הגודל הקטן יחסית של חיישן ה-AMR יאפשר לתכנונים להמשיך במגמת המזעור, תוך הפחתת העלות והוספת הזדמנויות ליישומים חדשים.
בשעה שיצרני החיישנים מוסיפים לפתח את טכנולוגיות חיישני ה-MR, דוגמת ה-Nanopower Anisotropic MR Sensor ICs של Honeywell, למתכננים תהיה טכנולוגיית חיישנים נוספת במחסן-הנשק שלהם לשם ציוד מוזן על-ידי סוללה. התקנים במצב מוצק אלה הם מטבעם יותר אמינים ועמידים בשל היעדר חלקים נעים; הם קטנים יותר ממתגים מגנטיים והם זמינים באותו תחום של רגישות. דבר זה מאפשר למתכננים לפתח מכשירים והתקנים יותר קטנים, יותר אמינים ובעלי איכות גבוהה יותר ללא צורך בהספק הדרוש על-ידי רכיבי החיישן.
חברת HONEYWELL היא חברה לפיתוח וייצור מגוון רחב של חיישנים לתעשיה המגוננת (AUTOMOTIVE,SECURITY,INDUSTRIAL,MEDICAL,MILITARY), ממשיכה בשנים האחרונות לפתח מחקרים אשר מקדמים את סביבת הטכנולוגיה במוצרים בעלי יכולות רגישות וצרכי הלקוח של הספק נמוך עם צריכת אנרגיה נמוכה במיוחד.

לקבלת מידע נוסף על Honeywell Sensing and Control והקו החדש של Nanopower AMR Sensors, נא לפנות לאתר החברה.

לפרטים ניתן לפנות לנציג המקומי ב-
DATA JCE ELECTRONICS

Michael Schulz, EMEA Application Engineer, Honeywell Sensing and Control