Датчики Холла: принцип работы и применение на практике

Что такое датчик Холла

Датчик Холла это специфический магнитоэлектрический прибор, открытый впервые Холлом. Его основной принцип работы заключается в связи званного элемента со схемой. Такая схема на своем выходе создает определенный информационный сигнал. Именно зафиксированное поле является главным принципом работы этого устройства. В основном такое устройство используют чтобы измерить  скорость неподвижных элементов, с которой они перемещаются в какой-либо конструкции.

В данной статье будет рассказано вся основная информация о датчике Холла, где его можно использовать, как он работает, из чего состоит, какой принцип работы лежит в его основе и каким физическим законом они подчиняются. Дополнением для данного материала служат два видеоролика и одна скачиваемая лекция по выбранной теме.

Датчик Холла.
Датчик Холла.

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.

Как используется датчик Холла.
Как используется датчик Холла.

Датчик Холла в системе зажигания является аналоговым преобразователем, который непосредственно коммутирует питание. 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. Рекомендуем также прочитать статью об устройстве топливного электробензонасоса, а также о механическом решении. Из этой статьи вы узнаете о назначении, конструктивных особенностях и принципах работы данных устройств.

Датчик положения распределительного вала.
Датчик положения распределительного вала.

Датчик положения распределительного вала предназначен для определения углового положения газораспределительного механизма в соответствии с положением коленчатого вала двигателя. Информация, поступающая от датчика положения распределительного вала, используется системой управления двигателем для управления впрыском и зажиганием. Функционально датчик связан с датчиком частоты вращения коленчатого вала двигателя.

На двигатели устанавливается датчик положения распределительного вала, работа которого построена на эффекте Холла, поэтому другое название датчика – датчик Холла.

Принцип действия датчика Холла основан на изменении направления движения носителей заряда (изменении напряжения) в полупроводнике при изменении пересекающего его магнитного поля. Магнитное поле создается постоянным магнитом, расположенным в датчике. Изменение магнитного поля происходит при замыкании магнитного зазора репером (металлическим зубом). Репер располагается на зубчатом колесе распределительного вала или на специальном задающем диске, закрепленном на валу.

Материал в тему: как определить мощность тока.

При прохождении репера мимо датчика в нем возникает импульс напряжения, передаваемый в электронный блок управления. В зависимости от частоты вращения распределительного вала сигнал от датчика Холла поступает в разные промежутки времени. На основании этих сигналов блок управления двигателем распознает положение поршня первого цилиндра в верхней мертвой точке такта сжатия, обеспечивает впрыск бензина и зажигание топливно-воздушной смеси.

На двигателях, оборудованных системой изменения фаз газораспределения, датчик положения распределительного вала используется для управления данной системой. Датчики устанавливаются на распределительных валах впускных и выпускных клапанов. Несколько иначе датчик Холла работает в системе управления дизельным двигателем. Здесь сигналы датчика используются для установления положения поршня каждого цилиндра двигателя в верхней мертвой точке такта сжатия. За счет этого достигается точное определение положения распределительного вала относительно коленчатого вала, соответственно быстрый пуск дизеля и устойчивая его работа на всех режимах.

Автомобильный датчик Холла.
Автомобильный датчик Холла.

Для реализации данных функций внесены конструктивные изменения в задающий диск, на котором установлены реперы для каждого цилиндра двигателя. Это могут быть сегменты разной угловой ширины или набор зубьев, расположенных на разном расстоянии друг от друга. Так, в четырехцилиндровом дизеле на задающем диске устанавливается 7 зубьев: четыре основных – по одному на каждый цилиндр под углом 90° и три дополнительных – для распознавания конкретного цилиндра.

Будет интересно➡  Что такое катушка индуктивности и почему ее иногда называют дроссель

Дополнительные зубья расположены на разных расстояниях от основных зубьев, чем достигается установление положения поршня в ВМТ такта сжатия для конкретного цилиндра. При возникновении неисправности датчика Холла (отсутствии сигнала) система управления двигателем в своей работе использует информацию от датчика частоты вращения коленчатого вала.

Двигатель продолжает работать и даже может повторно запускаться после остановки.

Виды

Есть два типа датчиков Холла:

  • Цифровые датчики.Работают на определение магнитного поля. Если индукция доходит до определенного предела, то датчик дает сигнал на присутствие магнитного поля. Если предел не достигнут, то сигнал равен нулю. Слабая индукция и малая чувствительность датчика не дает сигнал наличия поля. Недостатком такого типа датчика является то, что у него есть зона нечувствительности порогов. Цифровые датчики Холла делятся на униполярные и биполярные:
  • Униполярные датчики Холла работают, если есть поле какой-либо полярности, выключаются при уменьшении индукции.
    — Биполярные датчики Холла срабатывают на изменение полярности поля. При одной полярности датчик включается, а при другой – выключается.
  • Аналоговыйвид датчиков Холла изменяет индукцию поля в разность потенциалов. Значение датчика зависит от полярности и его силы. Нужно учитывать, на каком расстоянии находится датчик.

Что такое датчик Холла

Применение

Датчики Холла входят в состав многих приборов. Чаще они применяются в измерении напряженности поля магнитной индукции, в электродвигателях, в ионных двигателях ракет. Широкое распространение датчики Холла нашли в устройстве системы зажигания современных автомобилей.

Также они используются в бесконтактных выключателях, герконах, при измерении силы тока, уровня жидкости и других местах. Главное их преимущество – это воздействие без физического контакта.

Цифровой датчик Холла.
Цифровой датчик Холла.

Как проверить на автомобиле исправность датчика Холла

В быту с такой проблемой сталкиваются чаще всего автомобилисты. Наиболее простым способом является обыкновенная замена на исправный датчик. Если после замены система зажигания заработала, значит необходимо менять датчик. Если нечем заменить проверяемый датчик, то собирают простое устройство, которое может имитировать работу датчика Холла. Берется кусок провода, и тройной разъем от распределителя зажигания. Эти предметы работают аналогично датчику.

Для контроля пользуются обычным мультиметром. Если датчик вышел из строя, то тестер покажет 0,4 вольта или меньше. Также проверяется работа датчика путем проверки искры при подключении зажигания. Перед этим соединяют концы провода к выходам коммутатора. Если неисправность возникла не на автомобиле, а на другом оборудовании, то необходим тестер. Методика проверки будет зависеть от прибора, в котором установлен датчик.

Датчики Холла в смартфонах

Мобильные гаджеты имеют в составе много функциональных блоков. Среди них есть вспомогательные датчики, одним из которых является датчик Холла. В современных устройствах связи такие датчики являются измерительными элементами, с помощью которых определяют мощность магнитного поля, его изменения. Они называются в честь ученого Холла.

Для чего установлен датчик Холла в смартфоне

Этот сенсорный элемент имеет много возможностей. Одной из них является измерение магнитной индукции приборов, а также бесконтактное управление. В дорогих моделях смартфонов имеется магнитометр, работа которого основана на датчике Холла.

Будет интересно➡  Что такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения

На многих мобильниках этот датчик не полностью реализован. В основном этот сенсор применяют для таких задач:

  • Цифровой компас. Применяется для программ навигации и повышения скорости позиционирования.
  • Оптимизация взаимодействия устройства с разными аксессуарами, магнитными чехлами.
  • Применение датчика в раскладных моделях телефонов, для включения и отключения экрана при движении крышки.

Пример работы магнитного датчика Холла в чехле и смартфона заключается в том, что при открывании и закрытии чехла автоматически происходит блокировка экрана. Датчик реагирует на движение магнита, на усиление магнитного поля.

Датчик Холла в смартфоне.
Датчик Холла в смартфоне.

Особенности применения датчика Холла в автомобиле

В машине датчик Холла работает по принципу обычного ключа – замыкателя и размыкателя. Магнит при этом вращается в трамблере и влияет на закрепленный стационарным способом сам датчик. Когда последний начинает «чувствовать» магнитное поле, он начинает подавать импульсы, которые, в свою очередь, вызывают искру для зажигания. Для автомобиля датчик Холла является одним из ключевых элементов системы его зажигания и присутствует в любой модели независимо от комплектации и стоимости.

Иногда этот прибор может применяться в цифровых автомобильных спидометрах или тахометрах, а также применяться для проверки скорости движения передаточных данный и с целью контроля работы антиблокировочной системы машины.

Кроме того, данный агрегат отличается высокой надежностью. Он способен работать далеко не один год, а ломается, как правило, из-за сильного физического воздействия или вследствие сильных загрязнений. Очень часто датчик устанавливается так, чтобы его можно было с легкостью в любой момент снять и сменить. Исключение составляют только те приборы, которые используются для контроля наиболее сложных автомобильных систем.

Применение датчика Холла в автомобиле
Применение датчика Холла в автомобиле

Принцип действия

Понадобится пластина и элемент питания постоянного тока. Подключаем пластину к батарее. От плюса к минусу начинает протекать электрический ток, вызванный движением заряженных частиц. Из курса физики эти частицы, или по-другому электроны летят против движения тока. Теперь поднесем два магнита к пластине разными полюсами так, чтобы линии индукции проходили через ее сечение.

Возникает так называемая сила Лоренца, которая отклоняет летящие по пластине электроны в сторону. Из-за этого возникает разность потенциалов на краях пластины. Эта разность потенциалов, иначе говоря, напряжение будут меняться в зависимости от силы тока и магнитного поля. Такой эффект носит название человека, который его обнаружил в 1879 году. Им был Эдвин Холл.

Интересно по теме: Как проверить стабилитрон.

На основе этого эффекта выпускается большое количество датчиков, позволяющих без физического разрыва провода измерять в нем как постоянный, так и переменный ток, поскольку при протекании тока в проводнике создается электромагнитное поле. Оно подобно тем магнитам, подносимым к пластине, изменяет выходное напряжение датчика Холла. Но возникает проблема того, что это поле при протекании не сильно больших токов само по себе очень мало. Для того, чтобы его увеличить, будем использовать ферритовое кольцо, которое имеет особые магнитные свойства и позволит увеличить необходимое нам электромагнитное поле до уровня для обнаружения протекания тока в проводнике.

Датчик Холла самодельный.
Датчик Холла самодельный.

Сборка датчика тока на основе эффекта Холла

Попробуем сделать собственный датчик тока. Понадобится ферритовое кольцо и датчик Холла. Найти ферритовое кольцо не составляет особых проблем. Они есть в блоках питания компьютера или энергосберегающих ламп, а также продаются в радиомагазинах по цене от 10 до 100 рублей в зависимости от размера самого кольца. В нашем случае имеется кольцо диаметром 28 мм за 55 рублей.

Подойдут кольца различных диаметров вплоть до 10 мм. Чем больше кольцо, тем чувствительнее получится датчик тока. Что касается датчика Холла, то его можно заказать со всем известного сайта. Стоит он недорого. Либо можно найти в нерабочих вентиляторах, ноутбуках и прочих устройствах, где он может использоваться. Датчики Холла Аналоговые и цифровые (Дискретные).

Что такое датчик Холла.
Что такое датчик Холла.

Дискретные работают по принципу транзисторов, то есть, при превышении какого-либо уровня магнитного поля датчик срабатывает. Аналоговый вид меняет свое выходное напряжение в зависимости от величины проходящего через него магнитного поля. Нам понадобится аналоговый датчик Холла. Если вы хотите не только детектировать протекание тока по проводнику, но также знать приблизительную величину этого тока.

Будет интересно➡  Что такое импульсное реле

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.

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.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

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.
Датчик Холла.

Заключение

Рейтинг автора
Автор статьи
Лагутин Виталий Сергеевич
Инженер по специальности "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем", МИФИ, 2005–2010 гг.
Написано статей
70

Более подробно о датчиках Холла рассказано в статье Интегральные датчики Холла.  Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.krutimotor.ru

www.electrosam.ru

www.elektro.guru

www.ozapuske.ru

www.kakustroen.ru

www.prodatchik.ru

www.compel.ru

www.autodvig.com

www.systemsauto.ru

Предыдущая
РадиодеталиКварцевые резонаторы - принцип работы и сфера применения
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять