Датчики холла и их применение

Аналоговые и цифровые решения

Датчики на основе эффекта Холла фиксируют разницу потенциалов. Аналоговое решение, рассмотренное выше, основано на преобразовании индукции поля в напряжение с учетом полярности и силы поля. Принцип работы цифрового датчика состоит в фиксации присутствия или отсутствие поля. В случае достижения индукцией определенного показателя датчик отмечает наличие поля. Если индукция не соответствует необходимому показателю, тогда цифровой датчик показывает отсутствие поля.

Чувствительность датчика определяется его способностью фиксировать поле при той или иной индукции. Цифровой датчик Холла может быть биполярным и униполярным. В первом случае срабатывание и отключение устройства происходит посредством смены полярности. Во втором случае включение происходит при появлении поля, отключается датчик в результате того, что индукция снижается.

Как большие электрические нагрузки можно контролировать с помощью датчиков Холла

Мы уже знаем, что выходная мощность датчика Холла очень мала (от 10 до 20 мА). Поэтому он не может напрямую контролировать большие электрические нагрузки. Тем не менее, мы можем контролировать большие электрические нагрузки с помощью датчиков Холла, добавив NPN-транзистор с открытым коллектором (сток тока) к выходу.

Транзистор NPN (приемник тока) функционирует в насыщенном состоянии в качестве переключателя приемника. Он замыкает выходной контакт заземлением, когда плотность потока превышает предварительно установленное значение «ВКЛ».

Выходной переключающий транзистор может быть в разных конфигурациях, таких как транзистор с открытым эмиттером, транзистор с открытым коллектором или оба. Вот так он обеспечивает двухтактный выход, который позволяет ему потреблять достаточный ток для непосредственного управления большими нагрузками.

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Разобравшись с принципом действия элемента Холла, рассмотрим, как используется данный датчик в системе бесконтактного зажигания линейки автомобилей ВАЗ. Для этого обратимся к рисунку 5.

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

  • А – датчик.
  • B – магнит.
  • С – пластина из магнитопроводящего материала (количество выступов соответствует числу цилиндров).

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

  • При вращении вала прерывателя-распределителя (движущемуся синхронно коленвалу) один из выступов магнитопроводящей пластины занимает позицию между датчиком и магнитом.
  • В результате этого действия изменяется напряженность магнитного поля, что вызывает срабатывание ДХ. Он посылает электрический импульс коммутатору, управляющему катушкой зажигания.
  • В Катушке генерируется напряжение, необходимое для формирования искры.

Казалось бы, ничего сложного, но искра должна появиться именно в определенный момент. Если она сформируется раньше или позже, это вызовет сбой в работе двигателя, вплоть до его полной остановки.

Внешний вид датчика Холла для СБЗ ВАЗ 2110

Как работает датчик Холла

Во время своих исследований в 1879 году физик Холл выявил такой эффект, что если в магнитном поле находится пластина, на которую подается напряжение (ток протекает через пластину), тогда электроны в указанной пластине начинают отклоняться. Такое отклонение происходит перпендикулярно по отношению к тому направлению, которое имеет магнитный поток.

Также направление этого отклонения происходит в зависимости от той полярности, которую имеет магнитное поле. Получается, электроны будут иметь разную плотность на разных сторонах пластины, создавая разные потенциалы. Обнаруженное явление получило название эффект Холла.

Другими словами, Холл поместил прямоугольную полупроводниковую пластину в магнитное поле и на узкие грани такого полупроводника подал ток. В результате на широких гранях появилось напряжение. Дальнейшее развитие технологий позволило создать на основе обнаруженного эффекта компактное устройство-датчик. Главным преимуществом датчиков подобного рода выступает то, что частота срабатывания устройства не смещает момент измерения. Выходной сигнал от такого устройства всегда устойчивый, без всплесков.

Простейший датчик состоит из:

  • постоянного магнита;
  • лопасти ротора;
  • магнитопроводов;
  • пластикового корпуса;
  • электронной микросхемы;
  • контактов;

Работа устройства построена на следующей схеме: через зазор осуществляется проход металлической лопасти ротора, что позволяет шунтировать магнитный поток. Результатом становится нулевой показатель индукции на микросхеме. Выходной сигнал по отношению к массе практически равняется показателю напряжения питания.

Среди недостатков стоит выделить чувствительность устройства к электромагнитным помехам, которые могут возникнуть в цепи. Также наличие электронной схемы в устройстве датчика несколько снижает его надежность.

Открытие эффекта Холла

Будущий физик Эдвин Герберт Холл родился в американском городе Горем в 1855 году. Получив начальное образование, он в 1875 году поступил в университет, где и ставил свои первые эксперименты. Так, изучая труды Максвелла об электричестве и магнетизме, Холл заинтересовался двумя фактами.

Первый заключался в том, что силы, возникающие в проводнике, расположенном поперечно линиям магнитной индукции, прикладываются непосредственно к веществу. Второй же сообщал, что значение этих сил зависит от скорости движения зарядов. В 1879 году вышла статья учёного Эдмунда Холла, доказывающая факт, что магнитное поле действует с одинаковым усилием как на подвешенный, так и зафиксированный объект.

Анализируя, какая сила может управлять движением заряженных частиц, он пришёл к выводу, что это может быть только напряжение. Для первого опыта физик использовал согнутую в спираль проволоку зажатую между диэлектриков. Эту конструкцию он поместил между двумя магнитами и запитал её от химического элемента тока. В качестве регистратора использовался мост Витстона с гальванометром Кельвина. В совокупности было проведено около тринадцати экспериментов и более четырёхсот измерений с разными условиями. Результатами экспериментов стало утверждение, что магнитный поток может изменять сопротивление материала.

По совету профессора Роуланда было выработано направление нового эксперимента, заключающее в следующем:

  1. К проводящей пластине подводился электрический ток.
  2. Гальванометр подключался к краям проводника.
  3. Включался электромагнит так, чтобы линии напряжённости поля лежали перпендикулярно плоскости пластины.

Предполагалось обнаружить условия для изменения протекания тока. Но опыт не получался, пока в качестве пластины не попробовали использовать тонкий лист из золота. Поставленный новый опыт оказался удачным. Гальванометр чётко зафиксировал появившееся напряжение.

Но как только на пластину воздействует магнитное поле, линии индукции которой перпендикулярны направлению тока, заряд перераспределяется к краям, и возникает разность потенциалов. В этом и заключается эффект Холла, на базе которого были после построены одноимённые датчики.

Магнитные датчики

Основное преимущество использования датчиков магнитного поля, заключается в их бесконтактной работе. Они бывают аналоговыми и дискретными. Первый тип считается классическим. В его основе лежит принцип, что чем сильнее будет магнитное поле, тем больше будет величина напряжения. В современных приборах и устройствах такой тип уже практически не используется из-за значительных размеров. Цифровой же датчик построен на режиме работы «ключ» и имеет два устойчивых положения. Если сила индукции недостаточна он не срабатывает.

Разделяются дискретные элементы Холла на два типа:

  • униполярные — срабатывание которых зависит от полюса магнитного поля;
  • биполярные — переключения состояния датчика происходит при изменении магнитного полюса;
  • омниполярные — реагируют на действие магнитной индукции любого направления.

Конструктивно датчик представляет собой электронный прибор с тремя выводами. Он может выпускаться как в стандартном исполнении DIP, DFN или SOT, так и в герметичном: например, 1GT101DC (герметичный), A1391SEHLT-T (DNF6), SS39ET (SOT), 2SS52M (DIP).

Характеристики устройства

Выпускаемые датчики, использующие явление Холла, как и любые электронные радиокомпоненты характеризуются своими параметрами. Главным из них является тип прибора и напряжение питания. Но, кроме этого, выделяют следующие технические характеристики:

  1. Величина измеряемой индукции. Измеряется она в гауссах или миллитеслах.
  2. Чувствительность — определяется значением магнитного потока, на который реагирует датчик, единица измерения мВ/Гс или мВ/мТл.
  3. Нулевое напряжение магнитного поля — значение разности потенциалов, соответствующее отсутствию магнитного поля.
  4. Дрейф нуля — изменение напряжения, зависящее от температуры. Указывается в процентном отклонении от температуры 25 °C.
  5. Дрейф чувствительности — изменение чувствительности, вызванное изменением температуры.
  6. Полоса пропускания — уровень снижения чувствительности с шагом в 3 дБ.
  7. Индукция включения и выключения — это значение напряжённости поля, при котором датчик устойчиво срабатывает.
  8. Гистерезис — разность между индукциями включения и выключения;
  9. Время срабатывания — характеризуется промежутком времени перехода из одного устойчивого состояния в другое.

Изготовление приборов

Материал, из которого выполняется элемент Холла, должен обладать большой подвижностью носителей зарядов. Для получения наибольшего значения напряжения вещество не должно иметь высокую электропроводностью. Поэтому при производстве устройств используется: селенид, теллурид ртути, антимонид индия. Тонкопленочные датчики получаются методом испарения вещества и осаждения его на подложку. В качестве её служит слюда или керамика.

Изготавливают датчики также из полупроводников — германия и кремния. Их легируют мышьяком или фосфорной сурьмой. Такие устройства обладают низкой зависимостью от изменения температуры, а величина образуемой на них ЭДС может достигать одного вольта.

Типовой процесс производства пластинчатого датчика Холла состоит из следующих операций:

  • обрезка пластины нужного размера;
  • шлифовка поверхности;
  • формирование с помощью пайки либо сварки симметричных выводов;
  • герметизация.

Одним из главных преимуществ датчиков, выполненных на этом эффекте, является электрическая изоляция (гальваническая развязка) делающие их применение удобным и безопасным.

Область применения

Широкое распространение устройств Холла началось с массового производства полупроводниковых пленок. С развитием микроэлектроники приборы приняли миниатюрные размеры, в их корпусах стоит магнит, чувствительный элемент и микросхема. Используются они в машиностроении, авиации, в конструкциях серводвигателей.

В автомобиле прибор применяется для контроля положения различных узлов и механизмов, в том числе распредвала и коленвала. Он работает в качестве замыкателя и размыкателя. На стационарно закрепленный преобразователь влияет магнит, расположенный и вращающийся в трамблере.

Под влиянием магнитного поля прибор подает импульс, вызывающий искру зажигания. На фото можно видеть, как он расположен в трамблере.

Размещение прибора в трамблере.

Достоинства устройства

У датчика Холла много достоинства. Главное – отсутствие контактов и, как следствие, надежность. Нет деталей, которые при езде трутся друг о друга. Датчик содержит только твердотельную электронику.

Устойчивость к ударам и вибрации тоже высока. Приб

Устойчивость к ударам и вибрации тоже высока. Прибор может работать в широком диапазоне магнитных частот — до 100 кГц. Он не дает сбои при работе в экстремальных температурных условиях, способен выдержать до +150 градусов и до -40. Производительность двигательной системы благодаря датчику намного повышается.

Автопроизводители обычно используют датчик для контроля скоростного режима валов и колес. Также его применяют в бесщеточных двигателях, работающих от постоянного тока — в них он определяет место нахождения постоянного магнита.

Датчик Холла увеличивает эффективность двигательной системы, повышает ее ресурс. Отвечает за коммуникацию систем машины. Конструктивные особенности прибора зависят от возложенных на него функций. Время от времени прибор нужно проверять. Как правило, проверку проводят при помощи осциллографа.

Виды

Благодаря современной электронике созданы устройства Холла двух видов: аналоговые и цифровые. Существует также оптический преобразователь. Аналоговые относятся к обычным преобразователям, они изменяют индукцию поля. Значение, которое будет выдавать преобразователь, зависит от силы магнитного поля и полярности.

В цифровых приборах отсутствует магнитное поле. Принцип их работы состоит в том, что когда индукция достигает порога, выдается логическая единица. Если установленная пороговая величина не достигнута, выдается ноль. Большой недостаток цифровых преобразователей – его низкая чувствительность.

Аналоговый и цифровой преобразователи

Оптический датчик имеет более сложную схему. В оптическом преобразователе магнитное поле движется на прорези в стальном экране, из-за чего изменяется разность потенциалов в системе полупроводников.

На основе результатов

На основе выходных данных датчики Холла можно разделить по типу выхода:

  • аналоговый;
  • цифровой.

Датчики Холла с аналоговым выходом

 Датчики Холла с аналоговым выходом содержат регулятор напряжения, элемент Холла и усилитель. Как следует из названия, выход такого типа датчика является аналоговым по своей природе и пропорционален напряженности магнитного поля и выходу элемента Холла.

Эти измерительные элементы имеют непрерывный линейный выход. Благодаря такому свойству они подходят для использования в качестве датчиков приближения.

Пример использования аналогового элемента

Рассмотрим в качестве примера конструкцию датчика тока ы основе работы которого используется эффект Холла.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

  • А – проводник.
  • В – незамкнутое магнитопроводное кольцо.
  • С – аналоговый датчик Холла.
  • D – усилитель сигнала.

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение UДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.

Датчики Холла с цифровым выходом

Датчики эффекта Холла с цифровым выходом имеют только два выхода: «вкл.» и «выкл.». Эти датчики имеют дополнительный элемент — «триггер Шмитта», отличаясь этим от датчиков Холла с аналоговым выходом.

Именно триггер Шмитта вызывает эффект гистерезиса, и поэтому достигаются два различных пороговых уровня. Соответственно, выход всей цепи будет либо низким, либо высоким.

Переключатель эффекта Холла — один из таких датчиков. Эти датчики цифрового вывода широко используются в качестве концевых выключателей в станках с ЧПУ, трехмерных (3D) принтерах и позиционных блокировках в автоматизированных системах.

Применение цифровых датчиков

  • датчики частоты вращения
  • устройства синхронизации
  • датчики систем зажигания автомобилей
  • датчики положения
  • счетчики импульсов
  • датчики положения клапанов
  • блокировка дверей
  • измерители расхода
  • бесконтактные реле
  • детекторы приближения
  • датчики бумаги (в принтерах)

На основе операции

На основе операции датчики эффекта Холла можно разделить на два типа:

  • биполярный;
  • униполярный.

Биполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют как положительных, так и отрицательных магнитных полей для своей работы. Положительное магнитное поле южного полюса магнита используется для активации датчика, а отрицательное магнитное поле северного полюса — для его отключения.

Униполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют только положительного магнитного поля южного полюса магнита, чтобы быть активированными. Эта же полярность задействуется для выключения датчика.

Омниполярные

Уникальность этих контроллеров Холла состоит в том, что они могут включаться и выключаться под действием поля от любого полюса.

Поломки датчика тока

Частые поломки и признаки неисправности датчика Холла:

  • не стартует мотор, перебои с запуском;
  • нестабильные холостые;
  • при высоких оборотах дергание (частый признак), ТС глохнет.

Неисправный сенсор может замыкать на корпус, провоцируя проблемы с зажиганием.

Недостаток диагностики состоит в том, что перечисленные симптомы могут быть характерными и при поломках других узлов. Обстоятельство отчасти сглаживается методами не слишком сложными, под силу пользователям с элементарными познаниями в технике.

Недостатки датчиков Холла

Датчики эффекта Холла имеют следующие недостатки:

  • Они не способны измерять ток на расстоянии более 10 см. Единственное решение для преодоления этой проблемы заключается в использовании очень сильного магнита, который может генерировать широкое магнитное поле.
  • Точность измеренного значения всегда является проблемой, поскольку внешние магнитные поля могут влиять на значения.
  • Высокая температура влияет на сопротивление проводника. Это, в свою очередь, повлияет на подвижность носителя заряда и чувствительность датчиков Холла.

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

  • Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
  • Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
  • Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
  • Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
  • В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

Совсем не обязательно, что перечисленные факторы вызваны выходом из строя ДП. Высока вероятность того, неисправность вызвана другими причинами, а именно:

  • попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
  • произошел обрыв сигнального провода;
  • в разъем ДП попала вода;
  • сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
  • порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
  • повреждение проводов, подающих питание к ДП;
  • перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
  • проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
  • проблемы с блоком управления;
  • неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
  • возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Принцип работы датчика Холла

Датчик Холла основан на принципе Холла. Этот принцип гласит, что когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю, напряжение может измеряться под прямым углом к ​​пути тока.

Как изготовить своими руками

Чтобы сделать простейший ДХ своими руками, понадобится:

  1. Ферритовое кольцо.
  2. Проводник для тока.
  3. Элемент Холла (микросхема ACS 711, например).
  4. Дифференциальный усилитель.

В кольце необходимо пропилить зазор, в котором расположится элемент Холла. Его потребуется подключить к дифференциальному усилителю, который представляет особой ОУ с отрицательной обратной связью.

Если изменение индукции – это своеобразная «ошибка», то ОУ выступает в роли усилителя ошибки, как показано на принципиальной схеме подключения на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема подключения элемента

Рис. 1. Принципиальная схема подключения элемента Холла.

Вместо усилителя можно установить микроконтроллер и через ограничительный резистор подключить его к выводу микросхемы ACS 711 в режиме АЦП. Тогда к другому выводу микроконтроллера можно подключить полевой транзистор и получится генератор импульсов, который можно использовать в режиме широтно-импульсной модуляции, например.

Принцип работы

Рассмотрим, как устроен импульсный преобразователь. Он выдает сигналы, если изменяется разность потенциалов, которая возникает в проводнике, когда его пересекает магнитное поле. Создается магнитное поле постоянным магнитом, который находится в приборе.

Магнитное поле меняется, если репер (металлический зуб) замыкает специальный разъем. Репер может находиться либо на зубчатом колесе распредвала, либо на задающем диске, расположенном на валу. На схеме показано устройство преобразователя.

Схема устройства прибора.

Если двигатель оборудован системой изменения газораспределителых фаз, то устройство устанавливается на выпускной и впускной клапан распредвала.

Схема работы устройстваВ дизеле устройство Холла помогает определить положение распредвала относительно коленвала. Таким образом обеспечивается устойчивая работа силового агрегата во всех режимах. Для реализации этого процесса изменена конструкция задающего диска распредвала. Он имеет репер для каждого цилиндра.

Знание устройства дает возможность понять, из-за чего могут возникнуть неисправности, как выполнить ремонт либо замену своими руками.

В автомобилях

На транспорт датчики Холла стали ставить с 70–80 годов прошлого столетия, когда начали внедрять электрозажигание вместо контактного. Принцип функционирования: вал мотора вращается с прохождением его крыльчатки по корпусным прорезям, что фиксирует обнаружитель, посылающий команду коммутатору, который и отпирает транзистор, подающий напряжение на элемент зажигания с обмоткой. Последний создает высокий вольтаж для свечи.

Конструкция

Конструкция

Коробочка, «фишка» с тремя контактами, три жилы и разъем подключения – это классическое устройство автомобильных Hall effect sensor. На разных моделях отличаются лишь мелочи. Такую конструкцию, учитывая нюансы обслуживаемых объектов, можно рассматривать как общий образец.

Датчик холла, устройство, схема:

  • «масса» (автомобильный корпус), это «–» или рабочий ноль;
  • «+», работающие исправные изделия имеют там около 6 В;
  • контакт для транспортировки импульса коммутатору.

Есть такие достоинства датчиков тока для зажиганий

Есть такие достоинства датчиков тока для зажиганий электронного типа:

  • нет постоянно подгорающего объемного контактного узла;
  • на свече выше 30 кВ против 15 кВ, что намного лучше;
  • сенсоры ставят на тормозные, антиблокировочные системы, тахометры, поэтому есть немаловажные дополнительные плюсы: повышается производительность ДВС, ускоряются и работают эффективнее все системы машины. Как следствие, возрастает удобство эксплуатации, безопасность.

Самостоятельная проверка устройства

Самостоятельная проверка устройства

Активное использование данного устройства в автомобилях означает, что при появлении определенных неисправностей или сбоев в работе ДВС может возникнуть острая необходимость проверить датчик Холла своими руками. Перед началом работ по отсоединению разъема кабеля, который подключен к устройству, следует обязательно выключать зажигание!

Игнорирование данного правила может вывести датчик Холла из строя. Необходимо добавить, что проверка устройства при помощи контрольной лампы также недопустима.

  1. Одним из самых быстрых способов проверки является установка заведомо исправного подменного датчика на автомобиль. Если признаки неисправности после установки исчезают, тогда причина очевидна.
  2. Вторым способом, который подойдет для проверки датчика в системе зажигания, является проверка наличия искры в момент включения зажигания. Дополнительно потребуется осуществить подсоединение концов провода к нужным выходам на коммутаторе.
  3. Для максимально точной диагностики устройство лучше всего поверять при помощи осциллографа. Также в определенных условиях датчик проверяют при помощи мультиметра. Указанный мультиметр переводят в режим вольтметра, после чего подсоединяют к выходному контакту на датчике. Рабочий датчик Холла выдаст показания от 0.4 Вольт до 3-х. Если показания ниже минимального порога, тогда высока вероятность выхода датчика из строя.

Если подобный прибор применяется в узле конструкции, то за ним нужно очень тщательно следить. Помните о частых и регулярных проверках, а также профилактических мероприятиях для схемы, которая ответственна за подключение.

При обслуживании старайтесь не испортить конструкцию устройства. Поэтому, чтобы не допустить его порчу, отсоединение прибора от питания должно производиться после выключения зажигания. Благодаря этому вы не допустите перепадов тока, соответственно, прибор не сломается. Неработающие агрегаты в большинстве случаев не ремонтируют, поскольку на практике ремонт совершенно бесполезен. Сломанное устройство просто утилизируют, а на его место ставят новое.

Ключевое преимущество датчиков Холла заключается в том, что при соблюдении допустимых рабочих значений тока и напряжении, его может хватить на огромное количество включений и выключений телефонов, смартфонов, ноутбуков и других приборов. В отличие от геркона, в приборе отсутствуют электромеханические контакты, которые быстро изнашиваются.

Итак, мы вкратце рассказали о том, что такое датчик Холла, по какому принципу он работает, и какую функцию он способен выполнять в автомобилях, а также мобильных телефонах и прочих видах цифровой техники.

Датчик Холла.