Устройство датчика Холла принцип работы, применение, принципиальная схема, подключение

Датчик Холла — Энциклопедия журнала За рулем

Официальное название — датчик положения на эффекте Холла.
Это датчик, работающий на эффекте Холла, суть которого заключается в том, что при при помещении в магнитное поле некоторого проводника с постоянным током, в этом проводнике возникает поперечная разность потенциалов. Также называет холловским напряжением.

Датчик Холла весьма широко распространен в автомобилестроении, с его помощью измеряют угол положения распредвала, на некоторых автомобилях — угол положения коленвала, на более старых автомобилях он сигнализировал о моменте искрообразования.

Эффект Холла заключается в том, что при пропускании тока через клеммы «а» полупроводниковой пластины, помещенной в поле магнита, на боковых клеммах «б» появляется напряжение.

Еще в 1879 году американский физик Э. Холл, работавший в балтиморском университете, открыл интересное явление, суть которого состояла в следующем. Если в магнитное поле поместить прямоугольную полупроводниковую пластину и к узким ее граням подвести электрический ток, то на широких, гранях пластины возникнет напряжение, величина которого может быть от десятков микровольт до сотен милливольт. Однако техническое применение этого эффекта вынужденно задержалось почти на 75 лет, до той поры, когда началось промышленное производство полупроводниковых пленок с нужными свойствами.

Устройство датчика Холла:
1 — постоянный магнит;
2 — лопасть ротора;
3 — магнитопроводы;
4 — пластмассовый корпус;
5 — микросхема;
6 — выводы.

Еще позже, при развитии микроэлектроники, удалось сделать миниатюрный датчик, содержащий все необходимое — постоянный магнит и микросхему с чувствительным элементом. Такое устройство обладает рядом неоспоримых достоинств.
Во-первых — малые размеры.
Во-вторых, и это особенно важно, изменение частоты срабатывания (иными словами — оборотов двигателя) не вызывает смещения момента измерения.
В-третьих, электрический сигнал от датчика имеет, по терминологии специалистов, прямоугольную форму: при включении он сразу набирает определенную и постоянную величину, а не носит характер всплесков. Для управления электроникой это немалый плюс.
Есть у датчика и другие достоинства, но упомянем о недостатках. Главный из них тот, что присущ всякой электронной схеме: датчик чувствителен к электромагнитным помехам, возникающим в цепи питания (о мерах предосторожности, диктуемых этим обстоятельством, скажем ниже). Кроме того, датчик Холла дороже магнитоэлектрического и теоретически менее надежен, поскольку содержит электронную схему, однако крупномасштабное производство и развитие технологии сводят эти факторы к минимуму.
Работает датчик Холла следующим образом. Когда через зазор проходит металлическая лопасть ротора, магнитный поток шунтируется и индукция на микросхеме равна нулю. При этом сигнал на выходе из датчика относительно «массы» имеет высокий уровень, то есть почти равен напряжению питания.

Так можно проверить работоспособность датчика Холла:
1 — датчик;
2 — разъем;
3 — резистор МЛТ-0,25 1,5 кОм;
4 — светодиод или вольтметр (тестер);
5 — батарейка 9 В.

Проверять датчик лучше всего осциллографом. Но с известной осторожностью можно и более простым оборудованием, прямо на машине.
Первое что нужно сделать — отсоединить разъем кабеля, подходящего к датчику. Важнейшее условие, которое следует свято соблюдать: зажигание при этом должно быть выключено! Несоблюдение этого условия — одна из основных причин выхода из строя датчиков Холла в эксплуатации. Теперь соберите простую схему, показанную на рисунке. При прохождении магнита мимо датчика светодиод должен попеременно загораться и гаснуть, указывая на наличие сигнала.
Еще одно важное замечание: ни в коем случае не проверяйте датчик контрольной лампой! Именно так погублено множество приборов.

Датчики Холла: принцип работы, типы, применение, как проверить

Электромагнитное устройство, именуемое датчиком Холла (далее ДХ), применяется во многих приборах и механизмах. Но наибольшее применение ему нашлось в автомобилестроении. Практически во всех моделях отечественного автопрома (ВАЗ 2106, 2107, 2108 и т.д.) бесконтактная система зажигания для бензинового двигателя управляется этим датчиком. Соответственно, при его выходе из строя возникают серьезные проблемы с работой двигателя. Чтобы не ошибиться при диагностике, необходимо понимать принцип работы датчика, знать его конструкцию и методы тестирования.

Читайте также:  Предохранители ОКА (ВАЗ 1111 11113) и реле с описанием и схемами блоков

Кратко о принципе работы

В основу принципа действия датчика зажигания положен эффект Холла, получивший свое название в честь американского физика, открывшего это явление в 1879 году. Подав постоянное напряжение на края прямоугольной пластины (А и В на рис. 1) и поместив ее в магнитное поле, Эдвин Холл обнаружил разность потенциалов на двух других краях (С и D).

Рис .1. Демонстрация эффекта Холла

В соответствии с законами электродинамики, сила Лоренца воздействует на носители заряда, что и приводит к разности потенциалов. Величина напряжения Uхолла довольно мала, в пределах от 10 мкВ до 100 мВ, она зависит как от силы тока, так и напряженности электромагнитного поля.

До середины прошлого века открытие не находило серьезного технического применения, пока не было налажено производство полупроводниковых элементов на основе кремния, сверхчистого германия, арсенида индия и т.д., обладающих необходимыми свойствами. Это открыло возможности для производства малогабаритных датчиков, позволяющих измерять как напряженность поля, так и силу тока, идущего по проводнику.

Типы и сфера применения

Несмотря на разнообразие элементов, применяющих эффект Холла, условно их можно разделить на два вида:

  • Аналоговые, использующие принцип преобразования магнитной индукции в напряжение. То есть, полярность, и величина напряжения напрямую зависят от характеристик магнитного поля. На текущий момент этот тип приборов, в основном, применяется в измерительной технике (например, в качестве, датчиков тока, вибрации, угла поворота). Датчики тока, использующие эффект Холла, могут измерять как переменный, так и постоянный ток
  • Цифровые. В отличие от предыдущего типа датчик имеет всего два устойчивых положения, сигнализирующих о наличии или отсутствии магнитного поля. То есть, срабатывание происходит в том случае, когда интенсивность магнитного поля достигла определенной величины. Именно этот тип устройств применяется в автомобильной технике в качестве датчика скорости, фазы, положения распределительного, а также коленчатого вала и т.д.

Следует отметить, что цифровой тип включает в себя следующие подвиды:

  • униполярный – срабатывание происходит при определенной силе поля, и после ее снижения датчик переходит в изначальное состояние;
  • биполярный – данный тип реагирует на полярность магнитного поля, то есть один полюс производит включение прибора, а противоположный – выключение.

Внешний вид цифрового датчика Холла

Как правило, большинство датчиков представляет собой компонент с тремя выводами, на два из которых подается двух- или однополярное питание, а третий является сигнальным.

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.
https://www.youtube.com/watch?v=fmLs9WsKx3I

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.

Читайте также:  Почему ELM327 Bluetooth не подключается к ЭБУ, нет связи и соединяния с блоком, адаптер его не видит

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

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.

Как проверить работоспособность датчика Холла?

Есть разные способы, позволяющие проверить исправность датчика СБЗ, кратко расскажем о них:

  1. Имитируем наличие ДХ. Это наиболее простой способ, позволяющий быстро провести проверку. Но его эффективности может идти речь только в том случае, если не формируется искра при наличии питания на основных узлах системы. Для тестирования следует выполнить следующие действия:
  • отключаем от трамблера трехпроводной штекер;
  • запускаем систему зажигания и одновременно с этим «коротим» проводом массу и сигнал с датчика (контакты 3 и 2, соответственно). При наличии искры на катушке зажигания, можно констатировать, что датчик СБЗ потерял работоспособность и ему необходима замена.

Обратим внимание, что для выявления искрообразования высоковольтный проводок должен находиться рядом с массой.

  1. Применение мультиметра для проверки. Это способ наиболее известный, и приводится в руководстве к автомобилю. Нужно подключить щупы прибора, как продемонстрировано на рисунке 7, и произвести замеры напряжения.

Схема подключения мультиметра для проверки ДХ

На исправном датчике напряжение будет колебаться в диапазоне от 0,4 до 11 вольт (не забудьте перевести мультиметр в режим измерения постоянного тока). Следует заметить, что проверка осциллографом будет намного эффективней. Подключается он таким же образом, как и мультиметр. Пример осциллограммы рабочего ДХ приведен ниже.

Читайте также:  Сколько весят автомобили ВАЗ на металлолом

Осциллограмма исправного датчика Холла СБЗ

  1. Установка заведомо рабочего ДХ. Если в наличии имеется еще один однотипный датчик, или имеется возможность взять его на время, то данный вариант тоже имеет место на существование, особенно если первые два сделать затруднительно.

Ест еще один вариант проверки, по принципу напоминающий второй способ. Он может быть полезен, если под рукой нет измерительных приборов. Для тестирования понадобиться резистор номиналом 1,0 кОм, светодиод, например, из фонарика зажигалки и несколько проводков. Из всего этого набора собираем прибор в соответствии с рисунком 9.

Рис. 9. Светоиндикаторный тестер для проверки ДХ

Тестирование осуществляем по следующему алгоритму:

  1. Проверяем питание на датчике. Для этой цели подключаем (соблюдая полярность) наш тестер к клеммам 1 и 3 ДХ. Включаем зажигание, если с питанием все нормально, светодиод загорится, в противном случае потребуется проверять цепь питания (предварительно убедившись в правильном подключении светодиода).
  2. Проверяем сам датчик. Для этого провод с первой клеммы «перебрасываем» на вторую (сигнал с ДХ). После этого начинаем крутить распредвал (руками или стартером). Моргание светодиода засвидетельствует исправность ДХ. В противном случае, на всякий случай проверяем соблюдение полярности при подключении светодиода, и если оно выполнено правильно, — меняем датчик на новый.

Модуль на основе датчика Холла

Датчики Холла применяются в основном там, где другие способы измерения являются ненадежными. В этом возникает необходимость при эксплуатации датчиков в загрязненных условиях, при которых использование оптических или механических контактных датчиков невозможно.

Датчик Холла очень быстрый и надежный датчик — его можно переключать сотни раз в секунду, и из-за бесконтактного метода измерения его срок службы достаточно большой.

Датчики Холла используются для измерения скорости вращения двигателей, колес, в двигателях для контроля положения коленчатого вала, для определения положения поршней в цилиндрах двигателя внутреннего загорания, а также для определения положения педалей манипуляторов, линейных приводов станков с ЧПУ, 3D-принтеров и т.д.

В робототехнике датчики Холла используются в виде интегральных модулей. Они используются для непосредственного определения присутствия магнитных объектов или для измерения расстояния до них.

Для лучшего понимания конструкции и работы датчика Холла стоит проанализировать блок-схему, показанную на рисунке 1. В состав схемы входят датчик Холла, дифференциальный усилитель и триггер Шмитта.

Встроенный стабилизатор напряжения обеспечивает питание отдельных функциональных блоков. Магнитное поле, перпендикулярное поверхности интегральной схемы, индуцирует напряжение в датчике Холла. Это напряжение усиливается и поступает на триггер Шмитта, активируя выход с открытым коллектором.

Принципиальная схема модуля магнитного концевого выключателя показана на рисунке 2. Основным элементом является униполярный цифровой датчик Холла US1 (TLE4905L, SS443A).

Сигнал от датчика проходит через транзисторы VT1 и VT2 и поступает на выходы X1 и X2, на которых доступны логические уровни «0» и «1». Эти сигналы можно использовать в различных системах управления, например, совместно с Arduino.

К этим выходам можно подключить электромагнитное реле или иную нагрузку с максимальным током не более 100 мА. Светодиод HL1 является индикатором наличия магнитного поля в зоне действия датчика.

Вся схема собрана на двухсторонней печатной плате с размерами 35мм х 30мм. Рисунок печатной платы показан на следующем рисунке.

Скачать рисунок печатной платы (10,3 KiB, скачано: 530)

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector