Magnetschalter Smart Home: In-plane-Magnetsensor steigert die Empfindlichkeit

Magnetschalter wie AMR- und TMR-Sensoren, aber auch Reed-Schalter sind weit verbreitet, haben aber eine Reihe von spezifischen Nachteilen. In-plane-Halleffekt-Schalter kombinieren dagegen eine hohe Leistungsfähigkeit mit geringen Kosten. Das macht sie interessant für viele – vor allem künftige – Anwendungen.

Anwendungen, die mit intelligenten magnetischen Positionsgebern ausgestattet sind, beispielsweise Tür- und Fenstersensoren, elektronische Türschlösser, Laptops, Ohrhörer, Tablets, Smartphones sowie Gas- und Wasserzähler, profitieren von kleineren, energieeffizienteren Schaltern. Magnetschalter müssen dabei nicht selten Magnetfelder detektieren, die horizontal, d. h. parallel zur Leiterplatte verlaufen (so genannte In-plane-Felder).

Die größte Verbreitung haben In-plane-Magnetschalter in AMR- und TMR-Technik (Anisotropic Magnetoresistive bzw. Tunnel Magnetoresistive) sowie Reed-Schalter. Während sich bei AMR- und TMR-Sensoren der Widerstand abhängig von der Richtung und Stärke des Magnetfelds verändert, bestehen Reed-Schalter aus zwei, in ein Glasröhrchen eingebauten ferromagnetischen Kontaktzungen, die sich unter dem Einfluss eines hinreichend starken Magnetfelds berühren und den elektrischen Kontakt herstellen.

Vor- und Nachteile von Reed-Schaltern

AMR- und TMR-Sensoren sowie Reed-Schalter sind zwar auf dem Markt fest etabliert, weisen aber spezifische Nachteile auf. Ungünstig an Reed-Schaltern ist beispielsweise, dass sie sich in einem Glasröhrchen oder einer anderen hermetisch abgedichteten Umhüllung befinden. Sie sind deshalb groß, teuer und anfällig gegen Drehmomente, wenn sie nahe an einem Magneten platziert werden (Bild 1).

Das Gehäuse kann zudem zwischen 100.000 und einer Million Schaltspielen leicht brechen, sodass diese Technik weniger haltbar und zuverlässig ist. Hinzu kommt, dass Magnetfelder von Reed-Schaltern nicht besonders genau detektiert werden können.

Eine weitere Herausforderung im Zusammenhang mit Reed-Schaltern ist, dass es infolge des elastischen Stoßes der Kontakte zum Prellen kommen kann, wenn sich die Kontakte nach der Berührung wieder trennen. Dieser als Debouncing bekannte Effekt verlängert die Signal-Einschwingzeit und kann sich auf die Integrität der Übertragung auswirken, wenn er nicht berücksichtigt wird.

Die Herstellung von AMR- und TMR-Sensoren wiederum ist aufgrund ihres komplexen Aufbaus aus mehreren Metallschichten kostspielig. Um diese Metallschichten aufzubringen, sind spezielle Beschichtungsanlagen erforderlich, die nicht leicht zu beschaffen sind und zu Lieferengpässen führen können. Nicht zuletzt müssen die Schichten magnetisiert werden.

Magnetfeld-Sensorik: Potenziale von Halleffekt-Schaltern

Aus diesen Gründen wächst die Nachfrage nach der Halleffekt-Schaltern, die bezüglich der Empfindlichkeit und des Stromverbrauchs mit den anderen populären Magnetschaltern vergleichbar sind, aber den Vorteil der Skalierbarkeit und der größeren Wirtschaftlichkeit haben. Die Funktion von Halleffekt-Schaltern beruht auf der Auswertung von Spannungsänderungen, die sich durch die Stärke des jeweiligen Magnetfelds ergeben.

Der In-plane-Halleffekt-Schalter TMAG5134 (Bild 2) besitzt zudem einen eingebauten, aus zwei Metallflächen oberhalb des Sensorelements bestehenden Magnetfeld-Konzentrator. Dieser fokussiert das Magnetfeld auf das darunterliegende Sensorelement und verstärkt es dadurch. So ist das Erfassen von Magnetfeldern möglich, die für einen Halleffekt-Sensor eigentlich zu schwach wären. Auf diese Weise kann der TMAG5134 Felder ab 1 mT detektieren, was die Verwendung kleinerer Magnete und damit eine Senkung der Systemkosten ermöglicht.

Die Leistungsfähigkeit, die aus dem integrierten Magnetfeld-Konzentrator des TMAG5134 resultiert, und die Fertigungskosten der Halleffekt-Technik machen diesen Baustein zu einem echten Konkurrenten zu AMR-, TMR- und Reed-Schaltern, der zudem mit deutlich niedrigeren Systemkosten punkten kann.

Günstig wirkt sich der integrierte Magnetfeld-Konzentrator auch auf den Stromverbrauch des Bausteins aus, denn aufgrund der Bündelung des Magnetfelds kann der Schalter mit einem geringeren Strom angesteuert werden – 0,6 µA reichen bereits aus. Die In-plane-Charakteristik sorgt für mehr Flexibilität bei der Erfassung von Magnetfeldern, die parallel zur jeweiligen Leiterplatte verlaufen.

Man könnte hierfür auch auf einen Halleffekt-Schalter im TO-92-Gehäuse zurückgreifen, jedoch wäre hier mehr Leiterplattenfläche erforderlich. Als Halleffekt-Schalter kommt der TMAG5134 überdies ohne bewegliche Kontakte aus, was gegenüber mechanischen Schaltern den Vorteil des geringeren Verschleißes mit entsprechend höherer Zuverlässigkeit hat.

Magnetfeld und Ausgangssignal des Sensors simulieren

Mithilfe des Simulators TIMSS (Texas Instruments Magnetic Sense Simulator) lässt sich das Magnetfeld und das Ausgangssignal des Sensors abhängig von der Platzierung von Sensor und Magnet simulieren. TIMSS reduziert die Zahl der Design-Iterationen für das System und das Gesamtprodukt und ermöglicht schnelle Experimente mit unterschiedlichen Systemtoleranzen. Nach Auswahl des TMAG5134 im Simulationstool erhält man neben einer 3D-Visualisierung des Magnetfelds auch eine Angabe des zu erwartenden Ausgangssignals.

Entwickler müssen häufig die Kosten, den Stromverbrauch und die Ansprechschwellen der einzelnen Lösungen berücksichtigen, um die richtige Technologie auszuwählen. In Tabelle 1 sind die Parameter der unterschiedlichen Verfahren gegenübergestellt.

Halleffektschalter für Smart-Sensing-Anwendungen

Zu den Anwendungen von In-plane-Halleffekt-Schaltern wie dem TMAG5134 gehören unter anderem die nachfolgend genannten Beispiele:

Tür- und Fenstersensoren sowie elektronische Türschlösser für Smart-Home-Anwendungen:

• Detektieren des Öffnungszustands von Türen oder Fenstern,
  Überwachung des Verriegelungszustands von Türen,

• Verlängerung der Batterielebensdauer.

Consumer-Elektronik wie Notebooks, Tablets oder Ohrhörer:

• Erkennen des Öffnungs- bzw. Schließzustands von Notebook-Deckeln oder Tablethüllen oder des Umklappens eines Notebookdeckels um 360°. Bei Notebooks und Tablets wird der Bildschirm abhängig vom Öffnungszustand ein- und ausgeschaltet.

• Ermitteln des Öffnens bzw. Schließens einer Ohrhörer-Ladeschale sowie der Entnahme der Ohrhörer aus der Ladeschale. Beide Vorgänge haben Einfluss auf das Laden der Ohrhörer.

Energie-Infrastrukturen:

• Erkennen des Vorbeistreichens eines Magneten bei Gas- und Wasserzählern, um den Zähler in den Diagnosemodus zu versetzen.

• Detektion eines außen am Zähler platzierten Magneten mit dem Ziel, die Messfunktion zu stören.

In-plane-Halleffekt-Schalter wie der TMAG5134 prägen die Zukunft der magnetischen Positionserfassung. Unter anderem wären Bausteine dieser Art künftig hervorragend für Produkte wie AR- oder VR-Headsets sowie Smart Glasses geeignet. Die Kombination aus hoher Leistungsfähigkeit und niedrigen Kosten machen den Halleffekt-Schalter zu einem attraktiven Kandidaten für derartige Applikationen. (kr)

(ID:50802426)