Устройство датчика холла принцип работы: принцип работы, применение, принципиальная схема, подключение

Содержание

принцип работы, применение, принципиальная схема, подключение

Датчики стали незаменимой частью жизни людей. Они делают ее проще. Датчики света, звука, движения управляют разными техническими системами. Ту же функцию – управление системами выполняют датчики на основе эффекта Холла (далее ДХ – датчик Холла). Далее будет рассмотрено устройство и особенности датчика Холла, разновидности контроллера, его применение, а также принцип работы.

Описание и применение

Контроллер, в основе которого лежит действие эффекта Холла, относится к датчикам магнитного типа. Они выдают электрический сигнал в зависимости от изменения магнитного поля вокруг них.

Эффект Холла состоит в появлении напряжения в проводнике при прохождении через него электрического тока. Электрический ток меняет магнитное поле, за ним меняется индукция этого поля, в итоге создается разность потенциалов.

Регистр Холла работает следующим образом:

вокруг него создается магнитное поле, активирующее контроллер;
при внесении в поле какого-либо объекта, оно выходит за первоначальные границы; датчик этот процесс фиксирует и генерирует напряжение, пропорциональное изменению.

Напряжение называется напряжением Холла.

На основе датчика Холла собирают контроллеры приближения, движения, переключатели и другие полезные в быту и промышленности устройства.

Виды, устройство и принцип действия

Всего выделяют два вида датчиков на основе эффекта Холла. Первые – цифровые, вторые – аналоговые. Они значительно отличаются друг от друга в плане конструкции и принципа функционирования.

Цифровые

Цифровые регистры имеют два устойчивых положения: ноль или единица – то есть они срабатывают при определенной величине изменения магнитного поля. В основе таких датчиков лежит устройство под названием триггер Шмитта, которое имеет два устойчивых состояния: логический ноль и логическая единица.

Контроллеры подобного типа делятся на три вида:

Униполярные.
Биполярные.
Омниполярные.

Каждый из этих видов далее будет подробно рассмотрен.

Униполярные

Контроллеры подобного вида работают только в том случае, если к ним прикладывается магнитное поле положительной полярности от южного полюса. Только при этом условии происходит срабатывание и отпускание контроллера.

Биполярные

Эти цифровые датчики работают под действием магнитного поля и южного, и северного полюса. Их особенность состоит в том, что срабатывают они под действием поля от южного полюса, а отпускаются под действием северного полюса.

Омниполярные

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

Аналоговые

В отличие от цифровых аналоговые датчики способны выдавать на выходе не два стабильных уровня сигнала, а бесконечное множество. Их принцип работы основан на преобразовании величины индукции поля в напряжение.

Конструкция этих устройств содержит элемент Холла (сам контроллер) и усилитель сигнала.

Применение

И аналоговые (линейные), и цифровые контроллеры нашли широкое применение во всех сферах жизни.

Линейные

Из-за большого количества уровней выходного напряжения такие контроллеры часто применяют в измерительной технике.

Датчик тока

Регистр тока на ДХ сделать очень просто. Необходимо установить лишь правильный преобразователь, который из напряжения, создаваемого в результате прохождения тока через проводник, будет получать ток. Ток с напряжением связаны законом Ома.

Тахометр

Тахометр измеряет частоту вращения чего-либо. Например, вала. Сделать такое устройство на ДХ очень просто. Достаточно установить датчик рядом с вращающимся объектом, а на сам объект повесить небольшой магнит.

Как только магнит будет проходить рядом с датчиком, индукция поля будет изменятся, как и величина напряжения на выходе соответственно.

По изменению последней можно судить о скорости вращения вала.

Датчик вибраций

На основе ДХ можно сконструировать простой регистр вибрации, который будет реагировать на изменение магнитного поля в результате микроперемещений магнита, создающего поле для проводника с током.

Детектор ферромагнетиков

Ферромагнетики – магнитоактивные вещества. Они искажают магнитное поле планеты. По величине этого искажения можно определить, насколько сильный тот или иной ферромагнетик.

Как измерить это искажение? Это можно сделать с помощью ДХ. Если внести в поле магнита, создающего напряжение в проводнике, магнитный материал (ферромагнетик), то поле изменит индукцию и это повлияет на создаваемую разность потенциалов.

Датчик угла поворота

ДХ способны измерять угол вращения какого-то либо объекта. Например, если на нем установлены магнит и контроллер Холла, то по величине индукции (близости магнита к датчику) можно определить угол вращения.

Потребуется лишь правильно определить зависимость между индукцией и углом. В этом поможет университетский курс физики и механики.

Бесконтактный потенциометр

Напряжение с током связаны по закону Ома через сопротивление. Зная ток через проводник и напряжение, не сложно рассчитать подключенное к проводнику сопротивление. Этот факт позволяет строить на ДХ бесконтактные потенциометры.

ДХ в бесколлекторном двигателе постоянного тока

Подобные контроллеры часто применяются в бесколлекторных двигателях в качестве измерителей угла поворота.

Датчик расхода

Датчик расхода на аналоговом ДХ устроен так, что объем пропущенного через этот датчик вещества пропорционален изменению магнитной индукции поля вокруг него.

Датчик положения

Чтобы собрать датчик положения на ДХ, нужно к отслеживаемой цели подключить магнитную пластину. Когда эта пластина будет менять положение относительно магнита в ДХ, поле будет менять свой состав и по изменению индукции этого поля можно будет определить положение объекта.

Цифровые

Такие контроллеры применяются в электронике и промышленности для управления включением и выключением, например, станков с численным программным управлением, а также для регулирования работы автоматизированных систем.

Датчики

На цифровых ДХ собирают различные контроллеры, способные отслеживать изменение различных величин и реагировать на изменения.

Контроллер частоты вращения

Контроллеры Холла, измеряющие частоту вращения чего-либо, называются энкодерами. Обычно их несколько устанавливается на определенную позицию, через которую проходит несколько магнитов с вращающегося объекта.

Как только магнит пересекает первый датчик, последний выдает на выходе уровень логической единицы. С другими контроллерами аналогично. Момент появления логической единицы на одном из датчиков позволяет оценить частоту вращения объекта.

Контроллер системы зажигания авто

Система зажигания устроена таким образом, что имеет два устойчивых состояния: включено-выключено. Такие же устойчивые логические уровни имеют цифровые ДХ. Соединить эти приборы в одно устройство не составляет труда: к системе зажигания присоединяется магнитная пластина.

Когда система находится в положении «включено», пластина пересекает магнитное поле ДХ и разность потенциалов в проводнике контроллера изменяется. Этим изменением можно управлять различными системами авто.

Контроллер положения клапанов

Если к клапану подсоединить магнитную пластину, а ее расположить рядом с контроллером Холла, то при открытии (или, наоборот, закрытии) клапана индукция поля и, как следствие, напряжение в проводнике изменится, а это изменение переведет контроллер в одно из логических состояний (ноль, единица).

Так можно фиксировать открывание и закрывание клапанов.

Контроллер бумаг в принтере

Наличие бумаги в принтере можно фиксировать точно так же, как и положение клапанов. Есть флажок, который устанавливается и пересекает поле постоянного магнита ДХ, если в принтер поступает бумага.

Устройства синхронизации

Датчики синхронизации активно применяются в автомобилестроении, где они регулируют время и объем подачи топлива, углы опережения зажигания и поворота распределительного вала, а также других показателей.

Такие датчики представляют собой намагниченный сердечник с медной обмоткой, на концах которой фиксируют разность потенциалов.

Счетчик импульсов

С помощью эффекта Холла можно считать поступающие в проводник импульсы. Импульс – сигнал высокого уровня. Соответственно, есть сигнал низкого уровня (обычно это 0). Если импульс поступает на проводник, то на его концах создается разность потенциалов под действием магнитного поля. Когда импульс пропадает, разность потенциалов тоже исчезает. По скорости появления-пропадания напряжения в проводнике можно судить о количестве импульсов: зная время и скорость можно определить количество.

Блокировка дверей

Магнит контроллера располагается на двери машины, например, а сам контроллер – на дверной коробке. Как только замок, не снятый с сигнализации, попытается кто-то открыть и потянет на себя ручку двери, подключенная система заблокирует двери и предотвратит доступ в машину. Так и работает блокировка дверей с применением ДХ.

Вместо системы блокировки дверей к датчику можно подключить сирену или другую сигнализацию.

Измеритель расхода

Расходометр на ДХ устроен таким образом, что каждое изменение магнитного потока, фиксируемое контроллером, равняется определенной порции прошедшего вещества (жидкости, например).

Бесконтактное реле

Бесконтактные реле на ДХ так устроены, что при изменении магнитной индукции поля вокруг проводника на нем меняется напряжение и это изменение разности потенциалов провоцирует переключение реле.

Детектор приближения

Контроллер приближения на цифровом ДХ аналогичен контроллеру на линейном ДХ с той лишь разницей, что цифровой выдает только два уровня сигнала – высокий и низкий – а аналоговый –бесконечное множество, то есть, например, цифровым контроллером можно только включить и выключить свет, а аналоговым включить на определенную величину, сделать свет ярче или тусклее, а потом выключить.

Какие функции выполняет в смартфоне

Когда человек подносит смартфон близко к уху, экран телефона гаснет для предотвращения случайных нажатий. Как это удалось реализовать разработчикам? При помощи цифрового датчика приближения, основанного на эффекте Холла.

Как изготовить своими руками

Чтобы сделать простейший ДХ своими руками, понадобится:

Ферритовое кольцо.
Проводник для тока.
Элемент Холла (микросхема ACS 711, например).
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 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.

Преимущества и недостатки

К преимуществам ДХ можно отнести:

Многофункциональность. Контроллеры Холла, как описано выше, могут играть роль десятков видов датчиков.
Надежность. Не подвержены износу т.к. не имеют движущихся частей. На их работе не влияет ни влага, ни пыль (вибрация в меньшей степени).
Простота. Практически не требует обслуживания.

Среди недостатков ДХ выделяют:

Низкий радиус действия. Обычно ДХ не работает на расстоянии больше 10 см. В противном случае придется использовать очень сильный магнит.
Сложно обеспечить стабильность измерений. Из-за постоянно меняющегося магнитного поля точность измерений ДХ всегда будет немного колебаться.

Главный недостаток ДХ – температурная нестабильность.

Чем выше температура, тем быстрее движутся заряды в проводнике, тем чувствительнее датчик ко всем колебаниям магнитного поля.

Схема датчика холла и принцип работы

Физик Холл открыл принцип, который впоследствии позволил создать датчик его имени. Этот прибор относится к категории магнитоэлектрических устройств и, фактически, является датчиком магнитного поля. Устройство датчика Холла имеет два основных конструктивных варианта. По принципу действия, эти приборы могут быть цифровыми и аналоговыми.

С помощью цифровых датчиков производится определение поля, то есть, его наличие или отсутствие. При достижении индукцией определенного значения, датчик выдает результат. Однако, слабая индукция не позволяет зафиксировать наличие поля, что является минусом этого прибора.

Конструкции аналоговых датчиков Холла позволяют преобразовывать индукцию в напряжение. Полученная величина будет зависеть от силы поля и его полярности.

Принцип работы датчика Холла

Датчики Холла являются составной частью различных приборов. В большинстве случаев, они используются для измерения напряженности магнитного поля. Широкое применение эти устройства нашли в системах зажигания автомобилей, благодаря возможностям бесконтактного действия.

Бесконтактное воздействие объясняется следующими факторами. Было замечено, что при помещении пластины, находящейся под напряжением, в магнитное поле, электроны, находящиеся в этой пластине будут отклоняться в перпендикулярном направлении с магнитным потоком. В данном случае, полярность магнитного поля оказывает непосредственное влияние на направление этого отклонения. Таким образом, будет наблюдаться разница плотности электронов на противоположных концах пластины. Это приводит к созданию разности потенциалов, улавливаемой датчиками Холла.

Проверка работоспособности датчика Холла

Чаще всего, с проблемой работоспособности датчика сталкиваются автомобилисты. Наиболее легким способом считается замена прибора на исправный. Во многих случаях, это помогает полностью решить проблему.

Если же невозможно установить исправный датчик, можно воспользоваться несложным устройством, которое будет дублировать его работу. Для изготовления этого устройства, необходимо взять колодку распределителя зажигания с тремя штекерами и небольшой кусок провода.

Чтобы произвести диагностику, можно использовать обычный тестер. При неисправности датчика, тестер будет показывать менее 0,4 вольта. Проверка наличия искры осуществляется при включенном зажигании. В этом случае, концы провода соединяются с определенными выходами в коммутаторе. Однако, как уже говорилось, наиболее оптимальным вариантом является замена неисправного прибора.

Широкое применение датчик Холла имеет в транспортных системах. Также Датчик Холла применяется для контроля положения узлов различных механизмов: перемещение деталей механизмов до концевых положений, построение энкодеров. Используется для измерения больших токов. Проводятся эксперименты по использованию датчика Холла в качестве чувствительного элемента магнитного компаса. Основу датчика составляет элемент Холла, соединенный с электрической схемой. Современный датчик Холла представляет собой микросхему, к которой подводится питание, а на выходе микросхемы формируется информационный сигнал. Принцип работы датчика Холла состоит в фиксировании магнитного поля. Для измерения скорости перемещения датчика Холла закрепляется на неподвижном элементе конструкции, а в движущейся части устанавливаются магниты. Применяют и более простое решение, намагничивают подвижные элементы не внося изменений в конструкцию механизма. Для измерения скорости вращения применяется пара постоянный магнит и датчик Холла. Между ними свободно перемещается пластина, экранирующая магнитное поле. При каждом обороте с выхода датчика Холла поступает электрический импульс в схему электронного тахометра. Для увеличения точности измерения устанавливают две и более пар магнит + датчик Холла.

Принцип работы датчика Холла позволяет создать регистрирующее устройство не имеющее механического контакта с подвижной частью контролируемого механизма, что позволяет многократно увеличить ресурс работы по сравнению с герконами или механическими переключателями, кнопками. На рисунке показан узел из бесконтактной системы зажигания автомобильной схемы, с использование датчика Холла.

1 – аккумулятор;
2 – замок зажигания;
3 – свечи зажигания;
4 – двухвыводная катушка зажигания;
5 – вольтметр;
6 – коммутатор;
7 – датчик Холла.

Проверить датчик Холла можно по такой технологии. С выхода датчика снимается напряжение, если в его зазоре находится стальной экран. Если экрана в зазоре нет, то напряжение на выходе датчика близко к нулю. На снятом с двигателя датчике-распределителе зажигания датчик можно проверить по схеме, приведенной на рисунке ниже, при напряжении питания 8-14 В. Медленно вращая валик датчика-распределителя зажигания, измерьте вольтметром напряжение на выходе датчика. Оно должно резко меняться от минимального (не более 0,4 В) до максимального (не более, чем на 3 В меньше напряжения питания).

Использование совместно с датчиком Холла постоянного магнита повышает надежность по сравнению с оптопарами, требующими источника света. Постоянный магнит «не погаснет”, а источник света требует подключения к питанию, постоянно потребляет ток. Обрыв питания источника света приведет к ложному сигналу с выхода оптопары, что не может произойти с датчиком Холла. Автор статьи – Сергей Куприянов.

Датчики, иное название сенсоры, служат для регистрирования изменения различных физических величин и передачи полученной информации обрабатывающим устройствам. Если к проводнику подвести постоянный заряд и поместить его в магнитное поле, то возникнет разность потенциалов. Этот эффект был обнаружен в 1897 году учёным Эдвином Холлом. Основываясь, на этом эффекте был создан датчик, названный в честь изобретателя датчиком Холла.

Принцип работы прибора

Это устройство, регистрирующее напряжённость магнитного потока. Фактически это сенсор наличия магнитного поля. Датчики выпускаются как цифрового, так и аналогового типа. Первый тип основан на измерении индукции поля и формирования соответствующего напряжения, а второй тип реагирует на изменение полярности магнитного потока.

Принцип действия датчика Холла построен на гальваномагнитном явлении. Это явление представляет собой результат взаимодействия магнитного поля с полупроводником, который подключён к электрической энергии, и при этом изменяются его электрические свойства. Эффект Холла проявляется, если в полупроводнике, расположенном в магнитном потоке, при протекании по нему тока образуется поперечное напряжение. При этом направление заряда перпендикулярно вектору направления поля. Возникающее явление объясняется тем, что на подвижные электроны или дырки в магнитном потоке воздействует сила Лоренца, приводящая к их отклонению.

В простом примере эффект Холла представляется в следующем виде. В полупроводнике под влиянием силы Лоренца носители заряда перемещаются в разные стороны, соответствующие своему знаку. На одной стороне полупроводника скапливаются электроны, отрицательный заряд, а на другой откуда переместились электроны — положительный заряд. Между этими сторонами из-за разности зарядов образуется электрический поток, который препятствует перемещению зарядов под влиянием силы Лоренца. Когда наступает момент равенства сил Лоренца и магнитного поля, полупроводник переходит в состояние равновесия.

По своему виду датчики могут выпускаться с разным числом контактных выводов и бывают:

Так как уровень сигнала на выходах сенсора низкий, к его выходам подключается операционный усилитель. При добавлении триггера получается простое устройство, срабатывающее при определённом значении магнитного поля и вида проводимости. В цифровой электронике датчики, дополняющиеся логическими элементами, разделяются на три группы:

Униполярные. Прибор регистрирует только изменение одной величины носителей заряда, дырочной или электронной проводимости.
Биполярные. Сенсор реагирует на оба вида носителей заряда, но выполняет по отношению к ним противоположные действия. Например, при регистрации электронной проводимости подключённый к нему прибор начинает работать, а при регистрации дырочной проводимости отключается.
Однополярные. Регистрируют просто появление проводимости и не зависят от её типа.

Датчик, использующий три вывода, в своём корпусе содержит транзистор с открытым коллектором, так как ток прибора малый с ним применяется в паре усилитель сигнала.

Применение эффекта Холла

Существует линейная зависимость между возникающей разностью потенциалов и магнитной индукцией, приводящей к её появлению. На этом и построены устройства с датчиком Холла, измеряющие магнитную индукцию.

Приборы, использующие в работе преобразователи Холла, применяются для проведения всевозможных измерений. Используя явление, при котором магнитное поле появляется под воздействием электрического тока, индукция магнитной силы соотносится с ним, и создаются бесконтактные измерители силы тока. Такой прибор выгоден при вычислении величин больших постоянных токов в проводах, которые при измерении обычным амперметром пришлось бы разрывать. Кроме этого, широкое применение получили приборы с сенсорами Холла для измерения электрической мощности, фиксирования линейных и угловых перемещений, плотности носителей заряда в полупроводнике.

Главным параметром прибора, построенным на эффекте Холла, является магнитная чувствительность. Она характеризуется соотношением появляющегося напряжения к значению магнитной индукции, то есть напряжением, при индукции равным единице.

Особое применение сенсоры получили в электродвигателях. В них датчики располагают таким образом, что устанавливаясь на статоре, отслеживают положение ротора. Установив магнит постоянного поля, получается счётчик оборотов. Величина магнитного поля, обеспечивающая срабатывание датчика, находится в пределах 150 Гауссов.

Использование в автомобилях

В машине датчик применяется в системе зажигания. Без его участия правильная работа мотора в автомобиле невозможна. Располагается он на трамблере и определяет момент появления искры, заменяя собой контактор. Здесь может использоваться как биполярный, так и униполярный вид сенсора.

Проводя измерения количества возникающих импульсов, сенсор сообщает блоку электроники информацию о необходимости создания искры. В состав прибора входят: постоянный магнит, металлический экран с отверстиями, полупроводниковая пластина. Схема работы основывается на том, что через устроенные отверстия в полупроводник проникает магнитный поток, в результате чего появляется разность потенциалов. Когда прорези закрыты экраном, поток не проходит, и напряжение не возникает. Таки образом, открывая и закрывая прорези экраном, создаётся импульсный сигнал на выходе устройства.

Датчик содержит три вывода, согласно его распиновке слева направо:

первый подключается к корпусу автомобиля;
на второй подводится напряжение равное шести вольтам;
третий используется как информационный.

Кроме этого, датчик используется для контроля токовой перегрузки. При появлении перегрузки происходит нагрев сенсора и срабатывание температурной защиты.

Из-за нарушений, возникающих в работе сенсора, возникают различные неисправности, что сказывается на запуске двигателя, появления рывков при работе, или просто его остановки. Проверить работоспособность датчика в автомобиле проще всего вращением коленчатого и распределительного вала. При нормальной работе светодиод, расположенный на контрольной панели, должен мигать.

При отсутствии бортового светодиода возможно выполнить приспособление самостоятельно. Для этого понадобится резистор на один килоом, светодиод и провода. Резистор последовательно соединяется со светодиодом, и от конструкции делаются отводы на проводах. Трамблер отключается и проводится подключение проводов от светодиода и резистора, после чего проворачивается распределительный вал. В результате светодиод должен мигнуть.

Для получения точных результатов лучше провести проверку датчика холла мультиметром. Потребуется любой тестер с возможностью измерения напряжения. При рабочем датчике напряжение на его выводах составит до 11 вольт. Сначала измеряется присутствие необходимых напряжений на контактной колодке трамблера. Обычно присутствуют три напряжения, равные 12 вольтам, и на одном контакте напряжение должно отсутствовать.

Включается зажигание. Положительный щуп устанавливается на выход клеммы датчика, а минусовой на провод с нулевым значением напряжения. Величина напряжения составляет около 11 вольт. При провороте коленвала напряжение должно изменяться, при этом наибольшее значение не должно опускаться ниже девяти вольт, а наименьшее быть не более 0,5 В.

Преобразователь Холла в смартфоне

Имея небольшие размеры, сенсоры Холла нашли своё применение и в электронных гаджетах. Используя его свойства в смартфонах, улучшается позиционирование, быстрее происходит запуск GPS поиска, увеличивается срок службы в автономном режиме. Применяя способность сенсора реагировать на магнитное поле, преобразователь используется также в телефонах вида «раскладушка» и ноутбуках. Месторасположение датчик занимает на лицевой стороне устройства, что увеличивает его реакцию на изменение магнитного поля.

Из-за присутствия датчика происходит автоматическое включение экрана ноутбука при его открытии или выключение при закрытии. Также и с телефоном — «раскладушкой». В смартфонах такая функция реализуется с применением чехла книжки. Датчик регистрирует величину магнитного поля, исходящего от миниатюрного магнита, вмонтированного в середину чехла. При открытии чехла, сила действия магнитного потока ослабевает, и устройство включает подсветку экрана.

Важно отметить, что использование магнита не оказывает никакого негативного влияния на гаджет, а сам датчик Холла в принципе работы применяет регистрацию магнитного потока. Он регистрирует силу магнитного поля, а не сравнивает его напряжённость. Преобразователь Холла в мобильных устройствах также имеет следующий функции:

помогает в ориентирование по горизонту земли;
обеспечивает работу компаса устройства;
включает и отключает экран при совместном использовании с магнитом.

Ориентирование экрана — это функция, используемая в любом современном телефоне. При разном положении гаджета в пространстве изображение на экране всегда будет правильным, а не перевёрнутым. Такую функцию можно и отключить, для этого в настройках смартфона выбирается последовательно: настройки, экран блокировки, расширенные возможности, режим смарта. Если в настройках пункта нет, придётся выпаять преобразователь из схемы.

Кроме этого, специальная микросхема, получая сигнал от преобразователя Холла, приводит к коррекции изображения. Это проявляется при фотографировании или при смене времени суток. Участвуя в работе GPS навигации, устройство помогает увеличить точность позиционирования.

Чтобы знать, как проверить датчик Холла в телефоне, особых умений не понадобится. Для этого нужно поднести любой магнит к корпусу или экрану устройства. При его работоспособности экран погаснет, если магнит убрать — загорится.

Устройство в бытовой технике

Очень часто в бытовой технике, использующей мотор (например, стиральная машинка) для подсчёта количества оборотов стоит сенсор Холла. Он имеет вид кольца с двумя проводами и крепится к ротору электродвигателя. Его работа устроена следующим образом: за счёт вращения вала на сенсор поступает напряжение, сила которого зависит от скорости вращения ротора. Чем обороты больше, тем больше и разность потенциалов. Электронный узел анализирует величину напряжения и выставляет требуемую скорость вращения.

Чтобы проверить преобразователь, потребуется взять мультиметр и прозвонить сопротивление сенсора. Нормальная величина рабочего прибора составляет около 60 Ом. Если мультиметра нет, можно взять простой вольтметр и измерить напряжение на том месте, где подключается сам датчик.

Схема для практического повторения

Несложная схема с применением датчика Холла, применяемая для регистрации открытия двери, не представляет сложности для самостоятельной сборки. Достоинство использования сенсора в том, что его работе не требуется механический контакт, как, например, геркону. Датчик размещается на дверной коробке, а магнит на двери. В основе схемы используется датчик MH 183 и микросхема CD 4093. За питание отвечает источник напряжения на девять вольт.

При воздействии магнитного потока транзисторный ключ находится в активном состоянии. Сигнал с сенсора поступает на вход микросхемы и запрещает работу её генератора. Светодиод LED1 горит. Если дверь открывается, магнитная сила, воздействующая на датчик, ослабевает или пропадает, а в микросхеме запускается генератор и светодиод гаснет. Резистор R1 предназначен для защиты преобразователя Холла от обратного пробоя напряжения. Датчик Холла нашел свое применение во многих областях и является незаменимым помощником для человека в быту. Именно благодаря ему существуют так называемые «умные» устройства.

Устройство, принцип работы датчика Холла, его применение в автомобиле

Сегодня роль электроники в автомобилестроении трудно переоценить. Автоматика оперативно контролирует и управляет всеми агрегатами современного автомобиля, обеспечивая их максимальную эффективность при высокой надёжности.

Но это возможно только при наличии достаточного количества датчиков, сообщающих электронному блоку управления множество различных параметров для выработки управляющих сигналов.

Одно из таких устройств в современном двигателе – датчик Холла. Принцип его функционирования основан на эффекте отклонения электронов в проводнике под воздействием силы Лоренса, возникающей при взаимодействии магнитного поля с движущимися заряженными частицами.

Если через две стороны плоского прямоугольного проводника помещённого плоскостью перпендикулярно силовым магнитным линиям пропускать электрический ток, то в результате их взаимодействия с электронами на двух других сторонах прямоугольника появляется электрический потенциал.

Причём сторона, куда отклоняются электроны, зависит от направления силовых магнитных линий. В результате этого эффекта создаётся плюсовой и минусовой полюс выходного потенциала.

Величина его небольшая – до 100 милливольт, и зависит от силы протекающего тока и напряжённости поля. Но этого вполне достаточно для того, чтоб электронная схема смогла его зарегистрировать.

Добавление к чувствительному элементу полупроводниковой схемы позволило создать компактный прибор, свободный от недостатков контактного прерывателя, создающего так называемый «дребезг» во время замыкания или размыкания. Благодаря сравнительно низкой цене при небольших размерах датчики Холла применяются весьма широко.

Например, для бесконтактного измерения тока, индикации или измерения уровня магнитного поля, а также в ноутбуках либо телефонах-раскладушках для отключения питания при закрывании крышки.

В автомобилестроении датчики Холла используются преимущественно для определения положения коленчатого вала, при котором следует подавать высоковольтный импульс создающий разряд на свече зажигания.

РАЗНОВИДНОСТИ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА

По типу исполнения датчики бывают:

аналоговыми;
дискретными.

Первый тип просто генерирует двухполярный потенциал, пропорциональный напряженности и направлению магнитного поля, либо однополярный, показывая лишь его абсолютное значение. Подобные аналоговые приборы используют как измерительные.

Дискретные (цифровые) датчики разделяются на однополярные, включающиеся или выключающиеся при наличии либо отсутствии магнитного поля, и биполярные, реагирующие включением на один полюс, и выключением на другой полюс магнита.

Как правило, автомобильный датчик Холла состоит из постоянного магнита, находящегося на определённом расстоянии от чувствительного элемента, и микросхемы, усиливающей сигнал с него. Ротор из ферромагнетика (сталь, железо), своими лопастями периодически перекрывают магнитное поле между магнитом и чувствительным элементом.

Если поле не перекрыто ротором, микросхема генерирует сигнал единицы, близкий по напряжению к питающему уровню бортовой сети. Когда лопасть ротора перекрывает магнитное поле, сигнал на выходе микросхемы близок к нулю.

В системах зажигания, используются цифровые датчики с высокой стабильностью включения, непосредственно коммутирующие напряжение питания. По сравнению с обыкновенными контактными прерывателями датчики Холла характеризуются повышенной чувствительностью к электромагнитным помехам, что устраняется помещением их в магнитный экран из магнитомягкого материала (пермаллоя).

Электронная схема также несколько снижает его надёжность. Но всё это окупается высочайшей стабильностью срабатывания, а значит момента зажигания и возможностью качественной его регулировки.

КАК БЫСТРО ПРОВЕРИТЬ ДАТЧИК ХОЛЛА

Иногда в процессе эксплуатации возникают неисправности, требующие проверки работоспособности датчика Холла. Вот типовые признаки подобных дефектов:

мотор плохо запускается, вообще не заводится или самопроизвольно глохнет;
обороты коленчатого вала нестабильны, заметны рывки при работе.

Способов проверки существует несколько:

1. Простейший – заменить на заведомо исправный прибор. Не слишком эон дорог, чтобы было накладно всегда при себе иметь запасной.

2. Мультиметром в режиме вольтметра. Датчик при этом должен быть стандартно подключен к массе (клемма «-» аккумулятора) и клемме «+» аккумулятора. Для проверки подключают щупы вольтметра к общему проводу и сигнальному контакту датчика.

Перекрывая зазор датчика куском железной или стальной пластины, например, лезвием ножа наблюдаем за показаниями вольтметра. При отсутствии пластины напряжение должно быть равно примерно 0,4 В, при наличии – 11 В.

Более сложные способы проверки для любителей не подходят , посему они здесь не приводятся, а для специалистов подобные описания излишни.

* * *

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Датчик Холла: устройство и принцип работы

Когда американский физик Эдвин Холл открывал свой эффект взаимодействия электрического тока с магнитным полем, у него и в мыслях не было, что чаще всего его фамилия станет употребляться на автомобильных рынках в России. Удивительно, но факт — самые разные люди, весьма далёкие от физики, понятия не имеющие кто такой Холл, знают, что такое датчик Холла в автомобиле, и даже одно время страдали от их дефицита.

В чём проявляется эффект Холла, и как это можно использовать в технике

Магнитное поле широко используется в автомобильной технике, несмотря на свою невидимость и неосязаемость. Даже свет, состоящий из электрических и магнитных полей, воспринимается благодаря своей электрической составляющей. Тем не менее, с помощью специальных магниточувствительных датчиков поле можно зафиксировать и даже измерить.

В основу одного из таких датчиков лёг эффект Холла, заключающийся в появлении поперечной разницы потенциалов на кристалле полупроводника, вдоль которого течёт ток. Образуется она только при помещении кристалла в магнитное поле, всё прочее пластину легированного кремния не поляризует. Это напряжение и подлежит фиксации, означая, что датчик попал в зону действия магнитного поля.

Собственно, всего этого недостаточно для использования кристалла в качестве датчика. Магнитное поле присутствует везде, надо определить его превышение над естественным фоном и помехами. Для этого к пластине подключается усилитель слабого сигнала и регулируемый пороговый элемент (компаратор). Вся схема выдаёт на выходе логический «0» по электрическому уровню, если поле есть, и логическую единицу во всех прочих случаях. Такая негативная логика обычно принята в цифровой технике. А чтобы в момент смены сигнала не наблюдалась «болтанка» выхода из-за неопределённости, устройство снабжается триггером Шмитта. Это такая схема, которая обеспечивает амплитудное запаздывание срабатывания (гистерезис), защищая от цифрового дребезга и помех в момент переключения, гарантируя одиночный крутой фронт сигнала и однозначность привязки во времени.

Устройство и принцип действия датчика

Если бы всё перечисленное выполнялось на дискретных элементах, то датчик был бы размером с магнитолу, столько же стоил, работал ненадёжно и потреблял много электроэнергии. В реальности всё устройство датчика Холла выполняется методами интегральной микроэлектроники всё на том же полупроводниковом кристалле, который с лёгкой руки деятелей из Кремниевой долины давно уже принято называть чипом.

Сам датчик миниатюрен настолько, что его размерами можно пренебречь на фоне габаритов корпуса, электрического разъёма, подводящих проводов и вспомогательного постоянного магнита. Кристалл полностью заливается пластмассой для защиты от внешних воздействий, снаружи остаётся только разъём и полюс магнита. В зависимости от назначения, датчик может иметь прорезь, внутри которой будет проходить край задающего синхронизацию реперного диска с пазами.

Принцип работы датчика Холла в автомобилях состоит в том, что при появлении в рабочей зоне изменений магнитного поля, например, прорези реперного диска вместо его цельной части, или ступеньки на шкиве, или метки на фланце распредвала, сигнал на выходе сменит своё значение с нуля на единицу или наоборот. Таким образом, электронный блок, считывающий показания датчика, узнает о наступлении определённого момента во вращении вала, например, верхней мёртвой точки поршня определённого цилиндра или любого его положения относительно этой ВМТ, нужная информация задаётся разработчиками двигателя. Это ложится в основу расчёта блоком управления двигателя таких важных данных, как момент зажигания, периодичность впрыска топлива, порядок открытия форсунок.

Разные случаи применения датчиков на эффекте Холла

Впервые такой датчик был использован на автомобилях с карбюраторными двигателями для замены контактов системы зажигания. Потом появились и другие применения магниточувствительных сенсоров.

Датчик Холла в системе зажигания карбюраторного двигателя

Классическая батарейная система зажигания действует по принципу накопления энергии в магнитном поле катушки зажигания за счёт протекания тока по её первичной обмотке с последующим резким разрыванием цепи, что вызывает рост напряжения на вторичной обмотке и искровой разряд в свече. Контакты прерывателя при этом работают в крайне тяжёлых условиях, обгорают, изнашиваются и долго не живут. К тому же их возможности ограничивают рост мощности системы, а значит и работу двигателя с дальнейшим обеднением смеси для экономии горючего.

Проблему частично решило появление электронной бесконтактной системы зажигания с прерывателем на основе датчика Холла (ДХ). Здесь уже нет обгорающих и требующих регулировки зазора контактов, имеется лишь реперный диск, вращающийся в прорези датчика. Пока мимо магнита ДХ проходит цельная стенка диска, коммутатор зажигания, представляющий собой простой усилитель тока, управляемый сигналом ДХ, отдыхает, то есть ждёт момента начала накопления энергии. По переднему фронту прорези выходной ключ коммутатора открывается, начинается накопление энергии в катушке.

Ток увеличивается не до бесконечности. Выйдя на расчётную номинальную величину порядка полутора десятков ампер, он стабилизируется, а в момент появления второго края прорези датчик срабатывает, ключ размыкается, начинается рост напряжения на обмотках катушки вплоть до пробоя искрового зазора.

Датчик Холла здесь полностью оправдывает свои способности, он очень точно и стабильно задаёт моменты срабатывания всех элементов системы, а значит и ровную работу двигателя без пропусков зажигания и детонации. Сам ДХ при этом не изнашивается, служит теоретически вечно, избавляя водителей и ремонтников от всех неприятностей классического контактного прерывателя-распределителя (трамблёра). И только бракованные детали, а также мнительность заставляли людей покупать датчики для проверки и впрок, создавая дефицит, о котором было упомянуто ранее.

В качестве датчика положение коленчатого вала (ДПКВ)

Чаще всего здесь используется простейший и надёжный индуктивный ДПКВ. Это обычная катушка с тонким проводом, намотанная на постоянный магнит. Мимо неё проходит зубчатый венец шкива коленвала, на котором один зубец отсутствует. Выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов переменного тока, один из которых имеет увеличенную длительность и амплитуду. Компьютеру электронного блока управления двигателем (ЭБУ) не составит труда, располагая такой временной диаграммой, привязать все процессы во времени к фазам положения коленвала.

Однако некоторых разработчиков подобная простота не устраивала, возможно, им хотелось большей точности, поэтому в качестве датчика они использовали всё тот же ДХ. Принцип работы здесь такой же, зубцы задающего шкива замыкают и размыкают магнитный поток через датчик, изменяя его выходной цифровой сигнал. Получается последовательность импульсов, по форме несколько другая, но несущая в точности ту же самую информацию и выполняющая те же цели. Это основной и самый главный датчик двигателя, единственный, без которого мотор даже не заведётся, поэтому датчик Холла это то, что здесь нужно, повышенная надёжность тут очень кстати.

Выдача сигналов о положении распределительного вала

Очень хорошо датчику Холла подходит ещё одна работа, для которой он часто используется. Это синхронизация фазированного многоточечного впрыска топлива.

Вообще, системы впрыска могут быть самыми различными:

одноточечные, или моновпрыск, не сильно отличается от карбюратора, имеется один центральный модуль, где форсунка распыляет бензин во впускной коллектор, откуда он равномерно, или не очень, всасывается цилиндрами;
многоточечный, здесь на каждый цилиндр приходится своя форсунка, срабатывающая после окончания такта выпуска, чтобы подготовить смесь к впуску;
многоточечный фазированный, для его реализации как раз и потребуется датчик Холла.

Недостатком обычного впрыска является отсутствие его точной синхронизации с моментом начала впуска в конкретный цилиндр. Дело в том, что информация для ЭБУ приходит с датчика коленвала, а по его положению невозможно точно засечь конкретный такт в цилиндре, ведь полный цикл требует двух оборотов вала, которые с точки зрения ДПКВ абсолютно одинаковые и ничем не различаются. Поэтому впрыск будет происходить два раза за цикл, причём один раз совершенно бесполезно, на закрытый перед рабочим ходом впускной клапан.

Для совершенствования системы был применён датчик положения распредвала, разумеется, на эффекте Холла. Конструкция уже известна, дисковый репер и магнитный ДХ с выходом на ЭБУ. Теперь блок управления точно знает, как отличить ВМТ сжатия от ВМТ выпуска и каждая форсунка откроется строго в нужный момент. У бензина не будет времени, чтобы бесполезно оседать на стенках коллектора.

Как проверяют ДХ при возникновении подозрений

Устройство это очень надёжное, но абсолютной защиты от неисправности не существует. Поэтому иногда приходится проверять и эти датчики.

Самое простое — подменить ДХ на заведомо исправный. Это избавит от возни со щупами, пробниками и осциллографами. А стоит датчик недорого, его всегда полезно иметь в запасе если не для замены, то именно для проверки забарахлившей системы впрыска или зажигания.
Люди, знающие принцип действия датчика Холла, могут проверить его простейшими и не очень приборами. Например, щупом-пробником со светодиодом. Выход датчика представляет собой каскад с открытым коллектором. Это означает, что в положении физического нуля транзистор открыт, и если пробник включён между плюсом питания и выходом ДХ, то индикатор засветится. Перемещая репер перед полюсами датчика, можно заставить его мигать, что почти точно укажет на исправность ДХ и подсоединённых цепей проводки.
Слово «почти» было употреблено в том смысле, что точно убедиться в исправности можно лишь с помощью цифрового запоминающего осциллографа, который имеется у многих диагностов как приставка к ноутбуку. С его применением можно проверить параметр, который недоступен щупам — быстродействие датчика. Фронты напряжения должны быть достаточно крутыми, что осциллограф и покажет. «Заваленный» фронт может оказаться тем самым случаем, когда датчик вроде работает, и пробник или мультиметр это подтверждают, а система сбоит и светит ошибки.

Почти все случаи, поясняющие, что такое датчик Холла в автомобиле, рассмотрены, остаётся упомянуть вполне возможное менее явное присутствие этих небольших приборов в автоэлектронике. Многие машины оснащаются достаточно мощными электродвигателями, где также для работы силовой электроники используются датчики Холла, следящие за положением ротора в магнитном поле. И даже этим, возможно, проникновение ДХ в авто не заканчивается. Компактный, надёжный и точный прибор всегда найдёт себе область работы во всё больше обрастающем электроникой современном автомобиле.

устройство, принцип работы, виды и области применения преобразователя

Датчик Холла — прибор, предназначенный для измерения напряженности магнитного поля. Его работа основана на эффекте Холла, который представляет собой явление возникновения разности потенциалов в магнитном поле при помещении в него проводника с постоянным током. Это устройство нашло широкое применение в различных приборах и механизмах.

История создания прибора

В конце XIX века американский ученый из Балтимора Эдвин Герберт Холл поместил полупроводниковую пластину в магнитное поле и подключил к ней электрический ток. Такое действие привело к появлению напряжения на широких сторонах пластины.

Это явление получило название эффекта Холла и привлекло внимание общественности. Спустя 75 лет, когда промышленность начала выпускать полупроводниковые пленки, это открытие нашло широкое применение в области техники. Сегодня датчики используются:

В электронном зажигании на автомобилях.
В двигателях компьютерного дисковода и вентилятора.
Как основа электронного компаса в смартфонах.
В бесконтактных электрических приборах для измерения силы тока и напряжения.
В некоторых моделях ионных реактивных двигателей.

Первые разновидности датчиков стали выпускаться в середине XX века. В 1965 году американские специалисты создали твердотельный прибор, который значительно улучшил работу оборудования. Датчики считаются практически вечными, так как не имеют взаимодействующих и трущихся элементов.

Конструктивные особенности

Наиболее эффективными материалами для изготовления датчика считаются полупроводники арсениды галлия и индия. Чаще прибор представляет собой пленку, толщина которой не превышает 10 мкм. Датчик имеет три клеммы:

питающая с входным напряжением 6В;
нулевой контакт;
выходная, с которой сигнал поступает на коммутатор.

Клемма, к которой подходит питание, широкая и занимает всю сторону прямоугольника. Выходная клемма обладает точечным электродом. В качестве нулевого контакта выступает общая точка. Так как при отсутствии магнитного поля на контактах остается небольшой сигнал, то для коррекции выходных данных применяется дифференциальный усилитель.

Микросхема наносится на подложку методом литографии, что позволяет повысить точность показаний. Обычно в различных приборах это применяется для проверки положения элементов механизма.

Принцип действия

Принцип работы датчика Холла основан на гальваномагнитном явлении, которое показывает результат взаимодействия магнитного поля с полупроводником. Полупроводник подключен к электрической цепи, которая меняет его свойства.

Как только появляется поперечное напряжение, то сразу возникает эффект Холла. В этот момент заряд направлен перпендикулярно вектору поля. Такое явление объясняется воздействием на электроны или дырки силы Лоренца, которая и приводит к их отклонению.

Под воздействием этой силы частицы в полупроводнике двигаются в разные стороны, в соответствии со своим знаком. На одной стороне пластины собираются электроны (отрицательный заряд), а на другой частицы с положительным знаком.

По мере накопления зарядов между ними возникает электрический поток, который препятствует их перемещению под воздействием силы Лоренца. При достижении равенства этой силы и магнитного поля полупроводник вступает в фазу равновесия. Именно так и работает датчик Холла.

Виды устройств

Основной задачей этого прибора считается определение напряженности магнитного потока. Практически это сенсор определения значений магнитного поля. Существуют датчики двух видов:

цифровые;
аналоговые.

Цифровые приборы бывают биполярными и униполярными. Биполярные элементы работают в зависимости от полярности магнитного поля, то есть одна включает датчик, а вторая отключает.

Униполярные приборы включаются при появлении любой полярности и отключаются по мере ее уменьшения. Цифровые сенсоры измеряют индукцию и появление соответствующего напряжения, то есть наличие или отсутствие магнитного поля.

Прибор показывает единицу, когда индукция поля достигает пороговое значение. До этого момента сенсор будет показывать ноль. Такой датчик не сможет определить наличие магнитного поля со слабой индукцией. Кроме того, на точность показаний будет влиять дистанция до измеряемого объекта.

Применение датчика

Широко применяются преобразователи Холла в современной бытовой технике. С их помощью происходит взвешивание белья в стиральных машинах. При запуске агрегата вещи сначала намокают, а потом начинает вращаться барабан. По его скорости вращения определяется общий вес и происходит программирование машины на расход порошка, воды и ополаскивателя.

В серийном производстве впервые датчики стали использоваться в компьютерных клавиатурах. Здесь происходит взаимодействие чувствительного элемента на плате и магнита на клавишах. Упругость осуществляется за счет полимерного материала, который обладает большим сроком службы.

Единственным элементом, который может сломаться в клавиатуре является контроллер. Электрики очень часто пользуются датчиком Холла, когда замеряют бесконтактными клещами силу тока в проводах. Измерительный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля вокруг кабелей и проводов.

Благодаря индуктивности из медной проволоки, находящейся в клещах, создается возбуждение и образуется электромагнитная волна. Часть ее значения оценивается сенсором, который передает данные в контроллер. По заложенным в нем формулам производится расчет, и результат выводится на дисплей.

Применяются датчики в сотовых телефонах для слежения за зарядом аккумулятора и его расходом. Но очень важным такой момент считается в эксплуатации электромобилей, так как наличие энергии в них занимает особое место. Используются преобразователи Холла в электронных компасах и в качестве стабилизатора изображений в мобильных камерах.

Но особенно широко эти приборы применяются в автомобильной промышленности. В автомобилях с их помощью происходит определение частоты вращения коленвала двигателя, положение дроссельной заслонки, скорости движения автомобиля и так далее. Применяется датчик в электронной системе зажигания. Находится он в трамблере и заменяет контакты для образования искры.

Использование сенсоров в смартфонах

Благодаря небольшим размерам датчики Холла нашли широкое применение в современных электронных гаджетах. В смартфонах они помогают возвращать экран в исходное положение, обеспечивают быстрый запуск GPS поиска, увеличивают срок службы аккумуляторной батареи и так далее.

Способность реагировать на магнитное поле используется в раскладывающихся телефонах и ноутбуках. Благодаря наличию датчика, происходит включение устройств при открытии и отключение при закрытии экрана. В смартфонах такую же функцию выполняет датчик, который взаимодействует с магнитом, встроенным в чехол книжку. Когда чехол открывается, то воздействие поля ослабевает и сенсор включает подсветку экрана. Преобразователь Холла в гаджетах выполняет следующие полезные функции:

обеспечивает ориентирование по отношению к горизонту земли;
работает в качестве компаса мобильного устройства;
совершает ориентирование экрана.

Немаловажное значение датчик имеет в устройстве видеокамеры. Вкупе со специальной микросхемой он позволяет корректировать качество изображения. Особенно это проявляется при съемках в вечернее время.

Датчик холла назначение и принцип работы

На примере датчика Холла, применяемого в бесконтактной системе зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099.

Датчик Холла предназначен для определения момента искрообразования в бесконтактной системе зажигания (БСЖ) автомобиля.

Принцип действия датчика Холла

Принцип действия датчика основан на эффекте Холла, когда магнитное поле проводника изменяется при прохождении в нем специального экрана с прорезями.

На практике это выглядит так: датчик Холла автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099 установлен на опорной пластине трамблера и состоит из двух частей – магнита и элемента Холла с усилителем. На датчик Холла подается напряжение с коммутатора (вывод 5) через токовый красный провод. «Масса» так же с коммутатора – бело-черный провод с вывода 3. Магнит создает магнитное поле, элемент Холла принимает его, создает напряжение, которое усиливает усилитель и через зеленый импульсный провод напряжение подается на коммутатор (вывод 6).

Для изменения магнитного поля применяется экран с четырьмя прорезями, который вращается вместе с валом распределителя зажигания (трамблера) проходя между магнитом и принимающей частью датчика Холла. При прохождении в пазу датчика прорези экрана магнитное поле имеет определенную величину и соответственно датчик выдает на коммутатор электрический ток определенного напряжения (9-12 В). При прохождении в пазу датчика зубца экрана магнитное поле экранируется и не поступает на приемник датчика, при этом напряжение, поступающее на коммутатор, падает (0-0,5 В).

Соответственно коммутатор прерывает электрический ток, подающийся на катушку зажигания, магнитное поле в ней резко сжимается и, пересекая витки обмотки, производит ЭДС 22-25 кВ (ток высокого напряжения). Ток через бронепровода попадает на распределитель трамблера и далее на свечи зажигания, производя разряд, поджигающий топливную смесь. Прохождение каждого из четырех зубцов экрана в прорези датчика соответствует такту сжатия в одном из четырех цилиндров двигателя.

Примечания и дополнения

— На эффекте Холла основан принцип действия еще нескольких автомобильных датчиков, например, датчика скорости инжекторных ВАЗ 21083, 21093, 21099.

Еще статьи по датчикам автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099

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.

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 U_холла 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.

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 U_ДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.

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.

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:

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.

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.

Осциллограмма исправного датчика Холла СБЗ

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:

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).
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.

Среди элементов радиоэлектроники, автоматики, а также измерительной техники, датчик Холла, принцип работы которого основан на одноименном эффекте, занимает особое место. Смысл упомянутого эффекта заключается в том, что при помещении проводника в магнитное поле появляется электродвижущая сила (ЭДС), направление которой будет перпендикулярным полю и току. Как же это используется в автомобиле?

Датчик Холла – принцип работы и назначение

В современных условиях происходит постоянное технологическое развитие датчиков Холла. Они отличаются надежностью, точностью и постоянством данных. Широкое распространение эти приборы получили в автомобилях и других транспортных средствах. Они обладают повышенной устойчивостью к агрессивным внешним воздействиям. Датчики Холла являются составной частью многих устройств, с помощью которых контролируется определенное состояние техники.

Во многих случаях этот прибор размещается в трамблере и отвечает за образование искры, то есть он используется вместо контактов. Нередко данный прибор применяется для слежения за током нагрузки. С его помощью производится отключение при возникновении токовых перегрузок. В случае перегревания датчика происходит срабатывание температурной защиты. Резкое изменение напряжения может иметь для устройства тяжелые последствия. Поэтому в последних моделях устанавливается внутренний диод, препятствующий обратному включению напряжения.

Датчик Холла до настоящего времени не смог заменить обычные механические переключатели. Однако в любом случае он имеет ряд значительных преимуществ. Основными из них являются отсутствие контактов, загрязнений, а также механических нагрузок. Поэтому часто можно встретить датчик Холла на скутере, применяемый в качестве составной части датчика зажигания.

Датчик Холла – схема подключения и «физика» процесса

Классическое устройство датчика Холла на практике – тонкий полупроводниковый листовой материал. При прохождении через него постоянного тока на краях листа образуется сравнительно невысокое напряжение. Если под прямым углом поперек пластинки проходит магнитное поле, то на краях листа происходит усиление напряжения, которое находится в прямо пропорциональной зависимости с магнитной индукцией. Датчик Холла является одной из разновидностей датчиков импульсов, создающих электрические импульсы с низким напряжением. Благодаря своим качествам, этот элемент широко применяется в бесконтактных системах зажигания.

Мы рассмотрели, какой имеет датчик Холла принцип работы, схема его пока что нам не ясна. Она включает в свой набор постоянный магнит, полупроводниковую пластину с микросхемой и стальной экран, имеющий прорези. Стальной экран через прорези осуществляет пропуск магнитного поля, благодаря чему в пластине из полупроводников начинает возникать напряжение. Сам экран не пропускает магнитного поля, поэтому, когда прорези и экран чередуются, происходит создание импульсов низкого напряжения.

При конструктивном объединении этого датчика с распределителем получается единое устройство – трамблер, выполняющий функции прерывателя-распределителя зажигания.

Датчик Холла и особенности эксплуатации

Когда в конструкции авто активно эксплуатируется датчик Холла, схема подключения его требует регулярных проверок и профилактического обслуживания. Главное еще и не навредить во время таких проверок, поэтому отсоединение разъема кабеля от датчика должно в обязательном порядке производиться при выключенном зажигании. Иначе элемент может просто выйти из строя, ремонтировать его нет смысла, потребуется замена.

Проверить правильность схемы можно следующим образом: при вращении коленчатого вала и, соответственно, вала распределителя должен попеременно загораться и гаснуть контрольный светодиод, указывающий на наличие сигнала. Запрещается проверять датчик с помощью обычной контрольной лампы. Особое внимание во время работы устройства следует обращать на чистоту и надежность в разъеме и контакте штекеров. Необходимо помнить, что датчик Холла нельзя использовать в обычной системе зажигания.

Несмотря на сложность процедуры проверки датчика Холла каждый может провести проверку самостоятельно, хотя объективность тестирования будет ниже. Например, можно воспользоваться мультиметром, установить работу прибора в режим вольтметра и измерить выходное напряжение, которое должно находиться в диапазоне от 0,4 до 11 В. Ну, а самый простой способ проверки это установка заведомо исправного датчика, если изменения будут очевидны, это повод отправиться в магазин за новым датчиком.

Датчик холла принцип работы и какова его роль в системе зажигания?

На блоге мы уже рассматривали различные системы зажигания, в частности, бесконтактных, у которых механический прерыватель в трамблёре заменён хитрым датчиком. О нём и поговорим, о датчике Холла, так его называют. Датчик Холла принцип работы его заключается в том, что он дает отсечку в нужной точке для поджига рабочей смеси в цилиндре, но давайте по порядку.

[contents]

Датчик Холла принцип работы

Как мы видим, наш сегодняшний герой выполняет крайне ответственное задание в системе зажигания, но пока что он остаётся для нас тёмной лошадкой. Исправим данный недостаток. Итак, датчик холла что это и как работает?

Для начала немного истории. Своё название это устройство получило благодаря одному из сотрудников балтиморского университета Э. Холла, который в конце ХIХ века открыл эффект возникновения напряжения на краях полупроводниковой пластины при изменении магнитного поля, в котором она находится.

Другими словами, если специальную пластинку поместить в место, где будет периодически проскакивать магнит или что-либо, что может изменить имеющееся магнитное поле, к примеру, металлический предмет, то на её краях будут появляться импульсы напряжения, а они в свою очередь могут использоваться электроникой в качестве сигналов к действию.

Одно из ключевых преимуществ подобных датчиков – отсутствие каких-либо механически контактирующих элементов, а это значит, что нет износа и, как следствие, продолжительный срок безотказной работы узла.

Надо отметить, что эффект Холла стал массово использоваться в промышленности лишь во второй половине ХХ века, когда полупроводниковые материалы стали доступными.

Своё место датчики Холла нашли и в автомобилях, а если точнее – в двигателях, где их полезные свойства пригодились в системах зажигания.

Устанавливается такое устройство в корпус трамблёра. Внутри него, как мы уже знаем, имеется вал, именуемый в литературе валом прерывателя-распределителя.

В определённом месте на этом валу закреплена магнитопроводящая пластина, имеющая столько сердечников, сколько и цилиндров в силовом агрегате.

Вращаясь синхронно с распредвалом и коленвалом, она в момент прохождения одного из сердечников мимо датчика, возбуждает в нём импульс электрического напряжения, который затем поступает в коммутатор системы зажигания, где используется для управления работой катушки зажигания. Этот импульс является отправной точкой для генерации искры свечи.

Система зажигания сгенерирует искру именно в тот момент, когда необходимо поджечь топливно-воздушную смесь – ни на мгновение раньше, ни на мгновение позже, иначе мотор просто-напросто не сможет нормально работать. Такой вот нехитрый алгоритм.

Как проверить датчик Холла?

Как и любой другой электронный элемент, наш герой тоже может выходить из строя, и узнать об этом мы можем по плохой работе двигателя авто, а именно:

мотор сложно завести или он вообще отказывается стартовать;
на холостом ходу заметны перебои или просадки оборотов;
при движении машина внезапно глохнет;
на высоких оборотах авто начинает дёргать.

Конечно же, не факт, что эти симптомы связаны именно с датчиком Холла, но, тем не менее, проверить его нужно. Сделать это можно своими силами.

Попросите у друзей или где-нибудь на время проверки, переставьте и убедитесь в том, является ли причиной ваших бед именно датчик Холла;
Просто замерьте напряжение на выходе, оно должно быть в точке разрыва 0,4 В, а в точке прохода пластины — 11В.;
Разобрать трамблер, провод высокого напряжения с надсвечником и свечей положите на корпус автомобиля с гарантией контакта на минус. Включите зажигание и замкните контакты 6 и 3 на панели коммутатора. Если искра на контактах свечи зажигания появится, то ваш датчик вышел из строя.

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

Но все-таки наиболее простой и примитивный способ – замена датчика на заведомо исправный. На видео ниже, видно как это просто.

Все-таки проверка требует квалифицированного подхода, если вы им не обладаете, не стоит экспериментировать. Надежно и с гарантией успеха лучше обратиться к специалистам и сделать все как положено.

Пожалуй, вот так кратко, датчик Холла принцип работы и его значение вам понятны. Надеюсь, вы почерпнули минимальные полезные знания из этой статьи.

На этом разрешите откланяться и напомнить, читайте свежие и интересные публикации, появляющиеся на блоге, поможет подписка. До скорых встреч!

Принцип Холла #Melexis

Принцип эффекта Холла назван в честь физика Эдвина Холла. В 1879 году он обнаружил, что когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю, напряжение можно измерять под прямым углом к пути тока. Распространенная аналогия, популярная во время открытия Холла, заключалась в том, что электрический ток в проводе течет по трубе. Согласно теории Холла, сила магнитного поля приравнивается к току, что приводит к скоплению одной стороны «трубы» или провода.Теория электромагнитного поля позволила более тонко интерпретировать физику, ответственную за эффект Холла.

Хорошо известно, что эффект Холла возникает в результате взаимодействия заряженных частиц, таких как электроны, в ответ на электрические и магнитные поля. Отличное, подробное, но хорошо читаемое объяснение можно найти в книге Эда Рамсдена «Датчики эффекта Холла; теория и приложения». А также в Википедии.

Первоначально это открытие использовалось для классификации химических образцов.Разработка полупроводниковых соединений арсенида индия в 1950-х годах привела к появлению первых полезных магнитных инструментов на эффекте Холла. Датчики на эффекте Холла позволяют измерять постоянное или статическое магнитное поле, не требуя движения датчика. В 1960-х годах популяризация кремниевых полупроводников привела к появлению первых комбинаций элементов Холла и интегральных усилителей. Это привело к созданию теперь уже классического переключателя Холла с цифровым выходом.

Продолжающаяся эволюция технологии датчиков Холла привела к прогрессу от одноэлементных устройств к двойным ортогонально расположенным элементам.Это было сделано для минимизации смещений на зажимах напряжения Холла.

Следующим шагом вперед стали квадратные или четырехэлементные преобразователи. В них использовались четыре элемента, ортогонально расположенных в виде моста. Все кремниевые сенсоры того времени были построены на основе процессов биполярного перехода в полупроводниках.

Переход на КМОП-процессы позволил реализовать стабилизацию прерывателя в усилительной части схемы. Это помогло уменьшить ошибки за счет уменьшения ошибок смещения входного сигнала в операционном усилителе.Все ошибки в цепи стабилизации без прерывателя приводят к ошибкам порога точки переключения для датчиков цифрового типа или ошибкам смещения и усиления в датчиках с линейным выходом.

Текущее поколение КМОП-датчиков Холла также включает схему, которая активно переключает направление тока через элементы Холла. Эта схема исключает ошибки смещения, характерные для полупроводниковых элементов Холла. Он также активно компенсирует ошибки смещения, вызванные температурой и деформацией. Общий эффект переключения активной пластины и стабилизации прерывателя дает датчики на эффекте Холла с улучшением на порядок дрейфа точек переключения или ошибок усиления и смещения.

Melexis использует исключительно процесс CMOS для достижения наилучшей производительности и наименьшего размера микросхемы. Текущие разработки в технологии датчиков на эффекте Холла можно объяснить, главным образом, интеграцией сложных схем формирования сигналов в ИС Холла.

Melexis представила первую в мире программируемую линейную ИС Холла. Он обеспечивает программируемые функциональные характеристики, такие как усиление, смещение, температурный коэффициент усиления (для компенсации тепловых зависимостей различных магнитных материалов).В новейшие ИС Холла встроены ядра микроконтроллеров, чтобы сделать датчик еще более «умным» с программируемыми алгоритмами ПЗУ для сложной обработки сигналов в реальном времени.

Пример того, как Melexis использует эффект Холла

Продукция Melexis с эффектом Холла

Датчики на эффекте Холла — работа, типы, применение, преимущества и недостатки

Датчики на эффекте Холла

широко используются в различных областях. В этом посте будет рассказано, как они работают, их типы, применение, преимущества и недостатки.

Введение в датчик эффекта Холла

Магнитные датчики — это твердотельные устройства, которые генерируют электрические сигналы, пропорциональные приложенному к ним магнитному полю. Эти электрические сигналы затем обрабатываются специальной электронной схемой пользователя для получения желаемого выходного сигнала.

В наши дни эти магнитные датчики способны реагировать на широкий диапазон магнитных полей. Одним из таких магнитных датчиков является датчик Холла, выходной сигнал которого (напряжение) является функцией плотности магнитного поля.

Для активации этих датчиков Холла используется внешнее магнитное поле. Когда плотность магнитного потока в непосредственной близости от датчика выходит за пределы определенного определенного порогового значения, это обнаруживается датчиком. При обнаружении датчик генерирует выходное напряжение, которое также известно как напряжение Холла.

Рис.1 — Датчики на эффекте Холла

Эти датчики на эффекте Холла пользуются большим спросом и находят очень широкое применение, например, в датчиках приближения, переключателях, датчиках скорости вращения колес, датчиках положения и т. Д.

Принцип работы датчика Холла

Датчик эффекта Холла

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

Рис. 2 — Принцип эффекта Холла — ток, текущий через пластину

Как работает датчик на эффекте Холла

Работа датчика Холла описана ниже:

Когда через датчик протекает электрический ток, электроны движутся через него по прямой линии.
Когда внешнее магнитное поле воздействует на датчик, сила Лоренца отклоняет носители заряда по искривленной траектории.
Из-за этого отрицательные заряженные электроны будут отклоняться к одной стороне датчика, а положительные зарядные отверстия — к другой.

Рис. 3 — Принцип эффекта Холла — отклонение электронов и дырок

Из-за накопления электронов и дырок на разных сторонах пластины между сторонами пластины может наблюдаться напряжение (разность потенциалов).Полученное напряжение прямо пропорционально электрическому току и напряженности магнитного поля.

Типы датчиков Холла

Датчики на эффекте Холла можно разделить на два типа:

На основе вывода
На основе операции

По объему выпуска

По мощности датчики Холла можно разделить на два типа: —

Датчики Холла с аналоговым выходом
Датчики Холла с цифровым выходом

Датчики Холла с аналоговым выходом

Фиг.4 — Схема датчика Холла с аналоговым выходом

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

Эти датчики имеют непрерывный линейный выход. Благодаря этому свойству они подходят для использования в качестве датчиков приближения.

Фиг.5 — Выход аналогового выхода датчика Холла

Датчики Холла с цифровым выходом

Датчики Холла с цифровым выходом имеют только два выхода: «ВКЛ» и «ВЫКЛ». Эти датчики имеют дополнительный элемент «триггер Шмитта» по сравнению с датчиками Холла с аналоговым выходом.

Рис.6 — Схема датчика Холла с цифровым выходом

Это «триггер Шмитта», который вызывает эффект гистерезиса, благодаря чему достигается два разных пороговых уровня.Соответственно, выходной сигнал всей схемы будет либо низким, либо высоким.

Переключатель на эффекте Холла

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

Рис.7 — Выход цифрового выхода датчика Холла

По основам деятельности

По принципу действия датчики Холла можно разделить на два типа: —

Биполярный датчик на эффекте Холла
Униполярный датчик на эффекте Холла

Биполярный датчик на эффекте Холла

Как следует из названия, для работы этих датчиков необходимы как положительные, так и отрицательные магнитные поля.Положительное магнитное поле южного полюса магнита используется для активации датчика, а отрицательное магнитное поле северного полюса магнита используется для отключения датчика.

Рис.8 — Биполярный датчик эффекта Холла

Униполярный датчик на эффекте Холла

Как следует из названия, этим датчикам требуется только положительное магнитное поле южного полюса магнита, чтобы активировать, а также разблокировать датчик.

Рис.9 — Униполярный датчик эффекта Холла

Применение датчика Холла

Области применения датчиков Холла были представлены в двух категориях для простоты понимания.

Применение аналоговых датчиков Холла
Применение цифровых датчиков Холла

Применение аналоговых датчиков Холла

Аналоговые датчики на эффекте Холла используются для:

Измерение постоянного тока в токоизмерительных клещах (также известных как Tong Testers).
Определение скорости вращения колеса для антиблокировочной тормозной системы (ABS).
Устройства управления двигателями для защиты и индикации.
Определение наличия источника питания.
Датчик движения.
Измерение скорости потока.
Чувствительная мембрана давления в мембранном манометре.
Определение вибрации.
Обнаружение черных металлов в детекторах черных металлов.
Регулировка напряжения.

Применение цифровых датчиков Холла

Цифровые датчики на эффекте Холла

используются для:

Определение углового положения коленчатого вала для угла зажигания свечей зажигания.
Определение положения автомобильных сидений и ремней безопасности для управления подушками безопасности.
Беспроводная связь.
Измерение давления.
Обнаружение близости.
Измерение скорости потока.
Определение положения клапанов.
Обнаружение положения линзы.

Преимущества датчиков Холла

Датчики на эффекте Холла

имеют следующие преимущества:

Их можно использовать для различных функций датчиков, таких как определение положения, определение скорости, а также для определения направления движения.
Поскольку они являются твердотельными устройствами, они абсолютно не подвержены износу из-за отсутствия движущихся частей.
Они практически не требуют обслуживания.
Они прочные.
Они невосприимчивы к вибрации, пыли и воде.

Недостатки датчиков Холла

Датчики на эффекте Холла имеют следующие недостатки: —

Они не способны измерять ток на расстоянии более 10 см. Единственное решение этой проблемы — использовать очень сильный магнит, который может генерировать широкое магнитное поле.
Точность измеренного значения всегда вызывает беспокойство, поскольку внешние магнитные поля могут влиять на значения.
Высокая температура влияет на сопротивление проводника. Это, в свою очередь, повлияет на подвижность носителей заряда и чувствительность датчиков Холла.

Насколько большие электрические нагрузки можно контролировать с помощью датчиков Холла

Мы уже знаем, что выходная мощность датчика Холла очень мала (от 10 до 20 мА). Следовательно, он не может напрямую управлять большими электрическими нагрузками.Однако мы можем управлять большими электрическими нагрузками с помощью датчиков Холла, добавив к выходу NPN-транзистор с открытым коллектором (сток тока).

NPN-транзистор (сток тока) в состоянии насыщения функционирует как выключатель стока. Он закорачивает выходную клемму с землей, когда плотность потока превышает предварительно установленное значение «ВКЛ».

Выходной переключающий транзистор может быть в различных конфигурациях: транзистор с открытым эмиттером, транзистор с открытым коллектором или и то, и другое. Таким образом, он обеспечивает выход pull / push, который позволяет потреблять ток, достаточный для непосредственного управления большими нагрузками.

Также прочтите о принципе эффекта Холла — история, объяснение теории, математические выражения и приложения

Ратна имеет степень бакалавра компьютерных наук и имеет опыт работы в сфере IT-технологий в Великобритании. Она также является активным веб-дизайнером. Она является автором, редактором и основным партнером Electricalfundablog.

Что такое эффект Холла и каковы его приложения?

XIX век был временем больших научных прорывов. Это было в ту эпоху, когда впервые был открыт эффект Холла; способ измерения магнитного поля.Может показаться, что это было давно, и открытия того времени могут показаться относительно первобытными по сравнению с более новыми научными концепциями, такими как секвенирование генома человека и квантовые вычисления. Но то, что он долго лежит в зубе, не означает, что он бесполезен.

Если вы читали наш блог «Что такое термопара?» вы будете знакомы с эффектом Зеебека, открытием 1800-х годов в измерении напряжения металлов для определения температуры; инструмент, который широко используется и по сей день.Эффект Холла следует аналогичным путем, но что такое эффект Холла и как он работает? Кто и как использует датчики Холла или устройства Холла? Читайте дальше, чтобы узнать основы этого впечатляющего и теперь плодотворного открытия.

Рис. 1. Магнит, одна из основных сил

Что такое эффект Холла?

Электромагнетизм — одна из четырех фундаментальных сил; гравитация, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие — вот остальные.Эти темы слишком широки для этого скромного блога, но имейте это в виду; существует связь между электричеством и магнетизмом. То, что мы воспринимаем как электричество, в основном представляет собой движение свободных электронов по проводящему проводу. Поскольку электроны заряжены отрицательно, их можно толкать или притягивать магнитным полем. Следовательно, с помощью магнита можно протолкнуть электроны через провод и создать ток. Нет, это не волшебный трюк, это называется индукцией. На этой взаимосвязи между магнитом и электрическим током основан эффект Холла, а именно на влиянии магнитного поля на электроны, составляющие ток.

Устройства на эффекте Холла — один из наиболее распространенных способов измерения магнитных полей. В этом типе датчика путь электрического тока в полупроводнике изменяется с помощью расположенного поблизости магнита. Это изменение тока можно измерить как напряжение, поскольку на одной стороне полупроводника будет больше электронов и она будет заряжена отрицательно. В то время как на другой стороне будет меньше электронов и, следовательно, более положительный заряд. Величина напряжения пропорциональна влияющему магнитному полю; если он сильный, то будет большая разность потенциалов, а если он слабый, то будет небольшое напряжение.Давайте посмотрим на схему базового датчика на эффекте Холла, чтобы лучше понять эту идею.

Рисунок 2: Базовый датчик на эффекте Холла

Датчик на эффекте Холла представляет собой простую пластину из полупроводящего материала, которая является частью цепи. Как вы можете видеть на Рисунке 2, в настоящий момент ничего страшно захватывающего не происходит; электроны электрического тока проходят через нашу простую цепь. Мы собираемся поднести магнит к этому устройству.

Рисунок 3: Магнит, приближающийся к датчику Холла

Когда магнит приближается, электроны тока отклоняются.Следовательно, чем ближе магнит приближается, тем больше отклоняются электроны. Следовательно, по мере приближения магнита создается все большее и большее измеряемое напряжение. В качестве альтернативы, вместо того, чтобы подвигать магнит ближе, вы можете сделать магнит сильнее. Это создало бы большее магнитное поле и тем самым привело бы к большему увеличению напряжения.

Рисунок 4: Магнит, расположенный очень близко к датчику Холла, создающий большее напряжение

Обратите внимание на разные показания мультиметров на рисунках 2, 3 и 4.С увеличением напряженности магнитного поля одинаково увеличивается и напряжение. Даже в сильных магнитных полях создаваемая разность потенциалов невероятно мала. Полноценное устройство на эффекте Холла может включать в себя какой-то усилитель для усиления сигнала с целью создания напряжения такой величины, которую мы можем использовать.

Открытие эффекта Холла

Хотя эффект Холла был открыт в конце 19 века. Лишь 70 лет спустя это открытие было впервые использовано на практике.Переключатель мощности микроволн был первой реализацией устройства. По мере того, как производство полупроводников становится более дешевым, возможности использования датчиков на эффекте Холла росли. Теперь вы можете найти их везде, от самолетов до мобильных телефонов и даже в посудомоечных машинах.

Давайте на время отложим теорию и подумаем о некоторых практических применениях этого принципа. Самым простым было бы использовать эффект Холла как своего рода датчик приближения. Если магнитное поле может вызвать изменение пути электрического тока, тогда мы могли бы встроить магнит в объект и количественно определить, сколько раз он приближался к другому объекту, просто ощущая изменение напряжения, когда он приближается к электрическому току.

Если бы мы, например, поместили наш элементарный датчик приближения на лопасть ветряного генератора, мы могли бы ощущать каждый раз, когда лопасть совершает полный оборот. Это определение вращения может позволить оператору ветряной мельницы измерять всевозможные вещи, такие как скорость наружного ветра или потенциальную мощность, которая может быть произведена. Информацию можно было даже использовать в качестве предохранительного выключателя, который мог вызвать тревогу, если вращающиеся лопасти вращались со слишком высокой скоростью.

Приложение датчика Холла

Довольно гипотетически, давайте быстро взглянем на одно современное устройство, автомобиль, и посмотрим, насколько распространены датчики Холла на самом деле.Если вам понравилось удобство управления стеклоподъемниками или боковыми зеркалами, то вы использовали датчик Холла. Будь то пожиратель бензина или эконом-класс, ваш автомобиль сокращает расход топлива за счет системы впрыска топлива и контроля работы коленчатого вала, что возможно благодаря датчикам Холла. Возможно, вы знакомы с термином «накачать тормоза», но в противном случае это означает, что вам повезло, что вы выросли в эпоху антиблокировочных тормозных систем.

В этом изобретении датчик Холла поддерживает вращение ваших шин с оптимальной скоростью и, вместо того, чтобы буксовать до полной остановки, фактически заставляет вашу машину останавливаться быстрее, когда вы нажимаете на тормоза.Действительно, датчики Холла можно встретить повсюду: в стиральных машинах, на платах компьютеров и в промышленном оборудовании. Использование этого устройства позволило увеличить количество изобретений; которые помогают нам во всем: от безопасности до эффективности, и даже просто о современных удобствах, которые мы считаем само собой разумеющимися.

Рис. 5: Элементы автомобиля, в которых используются датчики Холла

Еще одно широкое применение датчиков эффекта Холла — их использование в качестве преобразователей тока.Поскольку эффект Холла измеряет магнитное поле, являющееся продуктом технологического провода, по которому проходит ток, это отличный тип датчика для использования в некоторых типах преобразователей тока. Когда технологический ток проходит через апертуру нашего преобразователя, он создает пропорциональное вторичное магнитное поле внутри прибора, которое воздействует на датчик Холла. Преобразователи тока — это увлекательное устройство управления технологическим процессом, и мы рассмотрим их более подробно в разделе «Что такое преобразователь тока?» Здесь, в Enercorp, мы поставляем преобразователи тока для всех профессионалов отрасли.Взгляните на наш Текущий раздел, где вы можете ознакомиться с некоторыми реальными примерами и увидеть широкий спектр возможностей и характеристик этого инструмента.

Рис. 6. Пара датчиков тока Enercorp

Поскольку магнитное поле является ключевой переменной, вызывающей реакцию датчиков Холла. Все, к чему вы можете прикрепить магнит, может стать чем-то вроде устройства Холла. Теперь, когда управление процессами и автоматизация становятся такой важной частью операций; Потребность в настраиваемых и способных датчиках является безжалостной.Без датчиков Холла современные машины не могли бы работать с такими функциями и стандартной эффективностью, которые мы привыкли ожидать. Все, от транспорта, производства, здравоохранения, автоматизации зданий и других отраслей, будет экспоненциально отличаться от того, что мы знаем сегодня.

5.4: Применение устройств на эффекте Холла

Устройство на эффекте Холла — это простое устройство. По сути, это кусок полупроводника с подключенными и откалиброванными выводами.По этой причине устройства на эффекте Холла недороги, компактны и легко доступны. Как и большинство интегральных схем, эти устройства долговечны и долговечны, поскольку не имеют механических движущихся частей [57].

Устройства на эффекте Холла выпускаются двух типов: аналоговые и цифровые. Аналоговые устройства на эффекте Холла обычно интегрируются с усилителем и схемой, чтобы сделать выходной сигнал более линейным [57]. Некоторые устройства также содержат схемы, обеспечивающие стабильность устройств в более широком диапазоне температур, поскольку выходной сигнал датчиков на эффекте Холла может немного зависеть от температуры [57].Диапазон рабочих выходных напряжений этих устройств часто ограничивается схемой усилителя в отличие от датчика Холла [57]. Цифровые устройства на эффекте Холла содержат датчик Холла, интегрированный с дополнительной схемой, такой как компаратор, для создания цифрового выхода [57].

Аналоговые устройства на эффекте Холла используются для измерения магнитного поля, температуры, тока, давления, положения и других параметров [57]. Например, чтобы сделать датчик температуры на эффекте Холла, магнит устанавливают на материал, который сжимается или расширяется при изменении температуры.Когда магнит движется, он изменяет магнитное поле в расположенном поблизости устройстве с эффектом Холла и тем самым генерирует напряжение на устройстве с эффектом Холла. Тот же эффект можно использовать для измерения давления или других параметров с использованием материала, который расширяется или сжимается при изменении давления или других параметров. Ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле, окружающее провод. По этой причине эффект Холла можно использовать для создания амперметра, который можно установить поблизости, а не на пути тока.

Цифровые устройства на эффекте Холла используются в качестве переключателей или кнопок на клавиатуре. Если небольшой магнит установлен в кнопке, можно использовать устройство на эффекте Холла, чтобы определить, когда этот магнит прижимается к датчику эффекта Холла. Устройства на эффекте Холла также могут использоваться в качестве датчиков приближения для обнаружения ближайших ферромагнитных объектов [57]. Кроме того, цифровые устройства на эффекте Холла используются в считывателях магнитных карт [57]. Одно из наиболее распространенных применений — тахометры, устройства для измерения скорости вращения.Например, для измерения скорости вращения двигателя датчик Холла устанавливается рядом с ферромагнитной шестерней. См. Рис. \ (\ PageIndex {1} \). Когда зуб шестерни проходит через датчик, магнитное поле на датчике изменяется, и на устройстве на эффекте Холла индуцируется напряжение. Датчики на эффекте Холла используются для измерения скорости вращения двигателей, вентиляторов, магнитофонов и дисководов [57]. Соответственно, устройства на эффекте Холла используются в качестве датчиков расхода. Эти датчики используются в различных устройствах, от умягчителей воды до мониторов океанских течений [57].Для определения скорости потока установлена лопасть, которая вращается в потоке воды. На лезвие установлены магниты, а рядом — датчик Холла. Когда лезвие проходит мимо датчика, магнитное поле на датчике изменяется и индуцирует напряжение в датчике эффекта Холла. Следуя тому же принципу, датчики на эффекте Холла используются для измерения скорости потока бумаги в копировальных аппаратах, игл в швейных машинах, сверл в сверлильных станках и бутылок на заводах по розливу [57].

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Размещение датчика Холла, используемого в качестве тахометра.

В автомобилях используется несколько типов устройств на эффекте Холла.Датчики на эффекте Холла используются в качестве датчиков вращения для определения скорости передачи [57]. Они используются в качестве датчиков приближения для определения положения рычага переключения передач, положения коленчатого вала и положения дроссельной заслонки [57]. Они также используются в дверных блокировках, в обнаружении заноса тормозов и в системах регулирования тягового усилия [57].

Датчики на эффекте Холла

GOALS :

Опишите эффект Холла.
Обсудите принципы работы генератора Холла.
Обсудите приложения, в которых можно использовать генераторы Холла.

Принципы работы

Fgr. 1 Постоянный ток течет через кусок полупроводникового материала.

Эффект Холла — это простой принцип, широко используемый в промышленности. Cегодня. Эффект Холла был открыт Эдвином Х. Холлом в университете Джонса Хопкинса. Университет 1879 г.

Изначально мистер Холл использовал кусок чистого золота для создания эффекта Холла. но сегодня используется кусок полупроводникового материала, потому что полупроводник материал работает лучше и дешевле в использовании.Устройство часто называется генератором Холла.

Fgr. 1 показано, как возникает эффект Холла. Постоянный ток источник питания подключается к противоположным сторонам куска полупроводника материал. К двум другим сторонам подключен чувствительный вольтметр.

Если ток течет прямо через полупроводниковый материал, напряжение отсутствует. производится через подключение вольтметра.

Fgr. 2 показан эффект приближения магнитного поля к полупроводнику. материал.Магнитное поле вызывает обнаружение пути прохождения тока. в одну сторону от материала. Это вызывает появление потенциала или напряжения. через противоположные стороны полупроводникового материала.

Если полярность магнитного поля поменять местами, путь тока будет обнаруживается в противоположном направлении, как показано на Fgr. 3. Это вызывает полярность напряжения, вырабатываемого генератором Холла, изменить. Два фактора определить полярность напряжения, создаваемого генератором Холла:

1.направление протекания тока через полупроводниковый материал; и

2. полярность магнитного поля, используемого для определения тока.

Величина напряжения, создаваемого генератором Холла, определяется по:

1. величина тока, протекающего через полупроводниковый материал; и

2. Напряженность магнитного поля, используемого для определения пути тока.

Генератор Холла имеет много преимуществ перед другими типами датчиков.С это твердотельное устройство, у него нет движущихся частей или контактов, которые можно было бы износить вне. На него не влияют грязь, масло или вибрация. Генератор Холла представляет собой интегральную схему, которая устанавливается во многих различных типах и стилях. случаев.

Fgr. 2 Магнитное поле определяет путь прохождения тока через полупроводник.

Fgr. 3 Текущий путь обнаружен в противоположном направлении.

Fgr. 4 Вращающийся магнитный диск создает переменное напряжение.

— Применение генераторов Холла —

Датчик скорости двигателя

Генератор Холла может использоваться для измерения скорости вращающегося устройства. Если диск с магнитными полюсами по окружности прикреплен к вращающегося вала, а рядом с диском установлен датчик Холла, напряжение будет производиться при вращении вала. Так как диск имеет чередующиеся магнитные полярности по окружности, датчик будет вырабатывать переменное напряжение.Fgr. 4 показан генератор Холла, используемый таким образом. Fgr. 5 показывает AC форма волны, создаваемая вращающимся диском. Частота переменного напряжения пропорциональна количеству магнитных полюсов на диске и скорости вращения.

Другой метод определения скорости — использование реактора. Отражатель — это диск из черного металла, используемый для отвода магнитного поля от другого объект. В этом типе датчика используется металлический диск с зубцами, прикрепленный к вращающемуся вал.Диск разделяет датчик Холла и постоянный магнит (рис. 6). Когда выемка находится между датчиком и магнитом, создается напряжение. генератором Холла. Когда твердая металлическая часть диска находится между датчик и магнит, магнитное поле отводится от датчика. Это вызывает значительное падение напряжения, создаваемого генератором Холла.

Поскольку полярность магнитного поля не меняется, напряжение Генератор Холла генерирует пульсирующий постоянный ток вместо переменного Текущий.

Fgr. 7 показаны импульсы постоянного тока, создаваемые генератором. Количество импульсов выработка в секунду пропорциональна количеству зазубрин на реакторе и скорости вращающегося вала.

Fgr. 5 синусоидальная волна.

Fgr. 6 Реле отводит магнитное поле от датчика.

Fgr. 7 Прямоугольные импульсы, создаваемые генератором Холла.

Fgr. 8 Генератор Холла, используемый для определения положения движущегося устройства.

Датчик положения

Генератор Холла можно использовать аналогично концевому выключателю. Если датчик установлен рядом с движущимся оборудованием, а постоянный магнит прикреплен к движущемуся оборудованию, будет производиться напряжение когда магнит движется рядом с датчиком (рис. 8). Преимущества зала датчик состоит в том, что у него нет контактов брони рычага, которые можно износить как обычный предел переключатель, поэтому он может выполнять миллионы операций машины.

Датчик положения на эффекте Холла показан на рис. 9. Обратите внимание, что этот тип Датчик различается по размеру и стилю, чтобы соответствовать практически любому приложению. Должность датчики работают как цифровые устройства в том смысле, что они определяют присутствие или отсутствие магнитного поля. У них нет способности ощущать интенсивность поля.

Концевые выключатели на эффекте Холла

Fgr. 9 Датчик положения на эффекте Холла.

Fgr.10 Концевой выключатель на эффекте Холла.

Fgr. 12 Датчик Холла.

Fgr. 11 Датчик Холла определяет, когда в цепи протекает постоянный ток.

Еще одно устройство на эффекте Холла, используемое в очень похожем приложении, — это устройство Холла. концевой выключатель эффекта (Fgr.10). В этом концевом выключателе используется генератор Холла. вместо набора контактов. Магнитный плунжер приводится в действие механически маленькой кнопкой. К переключателю могут быть прикреплены различные типы рычагов, что позволяет использовать его во многих приложениях.

Эти переключатели обычно предназначены для работы от источника постоянного тока напряжением 5 В. для приложений TTL (транзисторно-транзисторная логика) или от 6 до 24 вольт Источник постоянного тока для взаимодействия с другими типами электронного управления или для обеспечения вход для программируемых контроллеров.

Датчик тока

Поскольку источником тока для генератора Холла служит отдельный источник питания, магнитное поле не должно двигаться или изменяться для получения выходного напряжения.Если датчик Холла установлен рядом с катушкой провод, напряжение будет создаваться генератором, когда ток течет через провод. Fgr. 11 показывает датчик Холла, используемый для обнаружения постоянного тока. протекает по контуру. Датчик на эффекте Холла показан на рис. 12.

Генератор Холла все чаще используется в промышленности. Поскольку время нарастания и спада сигнала генератора Холла обычно составляет менее 10 микросекунд, он может работать с частотой импульсов до 100000 импульсов в секунду.Это делает его особенно полезным в промышленности.

Fgr. 13 Линейный преобразователь на эффекте Холла.

Линейные преобразователи

Линейные преобразователи предназначены для создания выходного напряжения, пропорционального к напряженности магнитного поля. Входное напряжение обычно от 8 до 16 вольт, но величина выходного напряжения определяется типом преобразователя. использовал. Линейные преобразователи на эффекте Холла могут быть получены двух типов: выходов.Один тип имеет регулируемый выход и выдает напряжение 1,5. до 4,5 вольт. Другой тип имеет коэффициентно-метрический вывод и дает выходное напряжение составляет от 25% до 75% входного напряжения. Линейный эффект Холла преобразователь показан на рис. 13.

ВИКТОРИНА :

1. Из какого материала был изготовлен первый генератор Холла?

2. Какие два фактора определяют полярность производимого выходного напряжения. генератором Холла?

3.Какие два фактора определяют количество напряжения, производимого Холлом? генератор?

4. Что такое реактор?

5. Почему магнитное поле не должно перемещаться или изменяться, чтобы производить выходное напряжение в генераторе Холла?

Причина и следствие: Устранение неисправностей датчиков Холла

Лампа из китового масла освещала место над кухонным столом, где Эдвин работал над тонкой прямоугольной полоской из золотой фольги. Он мог видеть свое отражение в полосе, и его мысли на мгновение заблудились, когда он подумал о том, каким усталым он выглядел.Было уже очень поздно, но Эдвин задумал что-то новое, что-то очень новое. Эдвин Холл работал над теорией электронного потока Кельвина, которая была представлена около 30 лет назад в 1849 году. Во время работы он случайно заметил, что если ток течет через золотую полоску, а магнитное поле помещается перпендикулярно одной стороне полосы, на ее краях была обнаружена разность электрических потенциалов. Это открытие было приписано доктору Эдвину Холлу, и теперь оно называется эффектом Холла.

Как и многие другие открытия, блестящее наблюдение доктора Холла пришло не в результате его поиска, а в результате наблюдения чего-то необычного и последующего воздействия на него. Эффект Холла известен уже более 100 лет, но приложения для его использования не были разработаны до последних нескольких десятилетий. Автомобильная промышленность применила эту технологию ко многим системам, используемым в современных транспортных средствах, включая трансмиссию, систему контроля кузова, противобуксовочную систему и антиблокировочную тормозную систему. Чтобы охватить эти различные системы, датчик Холла конфигурируется несколькими способами / переключением, аналоговым и цифровым.Это датчики приближения; они не имеют прямого контакта, но используют магнитное поле для активации электронной схемы.

Эффект Холла может быть получен с помощью таких проводников, как металлы и полупроводники, и качество эффекта меняется в зависимости от материала проводника. Материал будет напрямую влиять на протекающие через него электроны или положительные ионы. В автомобильной промышленности обычно используются три типа полупроводников для изготовления элемента Холла / арсенида галлия (GaAs), антимонида индия (InSb) и арсенида индия (InAs).Самый распространенный из этих полупроводников — арсенид индия. Как и в эксперименте доктора Холла, важно, чтобы проводник был прямоугольным и очень тонким. Это позволяет протекающим через него носителям разделяться и объединяться по краям.

Теперь давайте посмотрим на принцип эффекта Холла (рис. 1 и 2 выше). Если ток течет через проводник, а магнитное поле (магнитный поток) может двигаться через проводник перпендикулярно потоку тока, заряженные частицы дрейфуют к краям прямоугольной полосы.Эти заряженные частицы собираются на краях поверхности. Магнитный поток передает силу на проводник, которая заставляет напряжение (положительную силу) дрейфовать к одному краю, в то время как электроны (отрицательная сила) дрейфуют к противоположному краю. Сила, действующая на текущий поток, называется силой Лоренца.

Пока к проводнику прикладывается магнитная сила, носители остаются на противоположных сторонах, создавая падение напряжения на проводнике. Этот перепад напряжения и есть напряжение Холла. Он пропорционален току, протекающему через него, напряженности магнитного поля и типу материала проводника.Если любая из этих трех переменных изменится, разность напряжений на проводнике также изменится. Вот почему элемент Холла должен иметь регулируемое напряжение, подаваемое на путь тока. Если ток регулируется и материал проводника задан, остается изменить только магнитную напряженность. Когда магнитная напряженность изменяется до угла 90 ° по отношению к пути тока, падение напряжения на проводнике также изменяется. Чем сильнее магнитный поток, тем больше падение напряжения на проводнике.

Генерируемое напряжение Холла является аналоговым сигналом. Этот сигнал Холла очень мал / обычно около 30 микровольт при магнитном поле 1 гаусс. Из-за небольшого генерируемого напряжения сигнал Холла должен быть усилен, если устройство будет использоваться в практических целях.

Тип усилителя, который лучше всего подходит для использования с элементом Холла, — это дифференциальный усилитель (рис. 3 на стр. 56), который усиливает только разность потенциалов между положительным и отрицательным входами.Если нет разницы напряжений между положительным и отрицательным входами усилителя, выходное напряжение усилителя не будет. Однако при наличии разности напряжений эта разница будет иметь линейное усиление. Величина усиления определяется дифференциальным усилителем, используемым в схеме.

Элемент Холла подключается непосредственно к дифференциальному усилителю, поэтому активность элемента Холла отражается усилителем. Когда магнитное поле отсутствует в элементе Холла, не создается напряжение Холла и отсутствует выходное напряжение из усилителя.Когда к элементу Холла прикладывается магнитное поле, на элементе создается напряжение Холла. Дифференциальный усилитель обнаруживает этот перепад напряжения и усиливает его.

Способ использования датчика Холла определяет изменения схемы, необходимые для обеспечения правильного вывода на устройство управления. Этот выходной сигнал может быть аналоговым, например датчик положения ускорения или датчик положения дроссельной заслонки, или цифровым, например датчик положения коленчатого вала или распределительного вала.

Давайте рассмотрим эти различные конфигурации датчика Холла.Когда элемент Холла должен использоваться для аналогового датчика, который может использоваться для шкалы температуры в системе климат-контроля или датчика положения дроссельной заслонки в системе управления трансмиссией, сначала необходимо изменить схему. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, а усилитель — к транзистору NPN (рис. 4). Магнит прикреплен к вращающемуся валу. Когда вал вращается, магнитное поле усиливается на элементе Холла. Создаваемое напряжение Холла пропорционально напряженности магнитного поля.

Если бы вал дроссельной заслонки контролировался PCM, магнит вращался бы вместе с валом дроссельной заслонки. На холостом ходу дроссельная заслонка была закрыта. В этом случае напряженность магнитного поля будет низкой, а создаваемое напряжение Холла будет низким. Дифференциальный усилитель будет иметь небольшую разность потенциалов, а выход усилителя будет низким. База транзистора NPN будет получать выходной сигнал усилителя.

Поскольку напряжение на базе низкое, усиление транзистора NPN также низкое.В этом состоянии выходное напряжение TPS будет порядка 1 вольт. Когда двигатель находится под нагрузкой, вал дроссельной заслонки вращается, открывая дроссельную заслонку. При вращении вала дроссельной заслонки магнитное поле усиливается на элементе Холла. Создаваемое напряжение Холла увеличивается пропорционально напряженности магнитного поля. По мере увеличения напряжения Холла дифференциальный усилитель получает свою разность потенциалов. Затем усилитель усиливает разницу между отрицательным и положительным входами.Этот возрастающий выходной сигнал отправляется на базу транзистора NPN, который затем усиливает сигнал, создавая выходной сигнал датчика положения дроссельной заслонки. Этот линейный выход пропорционален вращению вала дроссельной заслонки.

Выходные данные TPS отправляются в PCM, где он сообщает угол вала дроссельной заслонки. Микропроцессор PCM не может напрямую считывать аналоговое напряжение, отправляемое с TPS. Этот сигнал должен быть преобразован в двоичный формат — единицы и нули. Для этого используется устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем.В большинстве случаев используется 8-битный аналого-цифровой преобразователь. Это устройство преобразует уровень напряжения в последовательность единиц и нулей, которые микропроцессор может декодировать и использовать для определения фактического угла вала дроссельной заслонки.

Когда элемент Холла должен использоваться для цифрового сигнала, например, в датчике положения коленчатого или распределительного вала или датчике скорости транспортного средства, сначала необходимо изменить схему. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, который подключен к триггеру Шмитта. В этой конфигурации датчик выдает цифровой сигнал включения / выключения.В большинстве автомобильных цепей датчик Холла является поглотителем тока или заземляет сигнальную цепь. Для этого к выходу триггера Шмитта подключается NPN-транзистор (рис. 5). Магнит расположен напротив элемента Холла. Спусковое колесо, или цель, расположено так, чтобы затвор мог находиться между магнитным полем и элементом Холла.

Когда заслонка не находится между магнитом и элементом Холла, магнитное поле проникает через элемент Холла, создавая напряжение Холла.Это напряжение подается на положительный и отрицательный входы дифференциального усилителя. Усилитель повышает это дифференциальное напряжение и отправляет его на вход триггера Шмитта (цифрового пускового устройства). Когда напряжение от дифференциального усилителя увеличивается, оно достигает порога включения или рабочей точки. В этой точке срабатывания триггер Шмитта меняет свое состояние, позволяя отправить сигнал напряжения.

Точка срабатывания (отключения) установлена на более низкое напряжение, чем точка включения.Целью этой разницы между точками включения и выключения (гистерезис) является устранение ложного срабатывания, которое может быть вызвано незначительными отклонениями от дифференциального усилителя. Триггер Шмитта включается, и выходное напряжение отправляется на базу NPN-транзистора. Когда на базе транзистора присутствует напряжение, транзистор включается.

Регулятор напряжения блока управления подает напряжение на резистор или нагрузку. Схема резистора подключена к коллектору транзистора NPN, и когда NPN включен, ток течет в коллектор и выходит из эмиттера на землю.В этом состоянии сигнал заземлен. Поскольку резистор находится внутри блока управления, напряжение находится на плече заземления и будет падать очень близко к напряжению заземления.

При вращении спускового колеса затвор перемещается между магнитом и элементом Холла. Поскольку спусковое колесо сделано из железа, оно притягивает магнитное поле к затвору. В этот момент элемент Холла больше не имеет магнитного поля, проникающего через него, и напряжение Холла не создается. Без напряжения Холла дифференциальный усилитель не имеет выхода на триггер Шмитта.В свою очередь, триггер Шмитта не имеет выхода напряжения на базу NPN-транзистора, и транзистор меняет состояние и закрывается. Затем земля снимается с груза. Это создает разрыв цепи. В разомкнутой цепи присутствует напряжение источника. Если бы регулятор напряжения был источником 5 вольт, то напряжение в разомкнутой цепи было бы 5 вольт. При вращении заслонка выдвигается между магнитом и элементом Холла. Включается цепь, замыкающая заземляющую ногу от нагрузки.Таким образом, напряжение сигнала падает очень близко к земле. Этот цикл повторяется для создания цифрового сигнала от датчика Холла с экранированным полем.

Зубчатый датчик Холла (рис. 6) — это еще один тип цифровых датчиков включения / выключения. Над элементом Холла помещен смещающий магнит. В этом датчике магнитное поле всегда проникает через элемент Холла, и всегда присутствует напряжение Холла. Когда зуб шестерни или цель проходит под элементом Холла, магнитное поле в элементе усиливается.По мере усиления магнитного поля напряжение Холла увеличивается. Это напряжение отправляется в схему, которая сравнивает выходное напряжение холла без зубцов с выходным напряжением холла.

Для срабатывания этого датчика цель должна пройти мимо элемента Холла. В не зубчатом положении конденсатор заряжается для хранения незубчатого напряжения Холла, чтобы его можно было сравнить с зубчатым напряжением Холла. По мере приближения передней кромки зуба к датчику напряжение Холла увеличивается до заданной точки срабатывания.В этот момент компаратор отправляет сигнал в схему триггера. Триггер подает сигнал напряжения на NPN-транзистор и включает его. Транзистор NPN подключен к цепи резистора в блоке управления.

Одна сторона резистора подключена к регулятору напряжения, другая сторона — к коллектору NPN-транзистора. Когда транзистор меняет состояние и включается, напряжение сигнала сбрасывается на землю. Когда цель вращается и задняя кромка зубца проходит через датчик Холла, напряжение падает ниже заданной точки срабатывания, и компаратор подает напряжение на цепь запуска и выключает транзистор NPN.Затем транзистор меняет состояние и размыкает цепь. Теперь в сигнальной цепи присутствует напряжение источника. Если регулятор представляет собой источник 5 В, напряжение сигнала теперь составляет 5 В. Когда зуб проходит под датчиком Холла, цепь активируется и тянет этот 5-вольтовый сигнал на землю. Этот цикл повторяется для создания цифрового выходного сигнала датчика Холла с зубчатым колесом.

Для поиска неисправностей в этих цепях (см. Рис. 7 и 8) необходимо измерить падение напряжения на питании, заземлении и сигнале.Если сигнал правильный на низком и высоком выходах, питание и заземление также будут в норме. Если источником питания является аккумуляторное напряжение, регулятор напряжения находится внутри датчика Холла. Если питание подается от электронного модуля, регулятор напряжения находится в этом модуле. Если источник питания падает из-за падения напряжения (сопротивления) или из-за проблемы регулятора, выходной сигнал также упадет. Если напряжение питания увеличится, выходной сигнал также увеличится. Если напряжение земли увеличивается из-за падения напряжения (сопротивления), выходной сигнал также увеличивается.

С аналоговым датчиком Холла, если есть падение напряжения или разрыв цепи между датчиком Холла и модулем управления, напряжение сигнала будет правильным на датчике, но неправильным на модуле. Если напряжение на модуле правильное, а напряжение на диагностическом приборе неправильное, значит, проблема в аналого-цифровом преобразователе внутри блока управления. Перед заменой блока всегда проверяйте питание, массу и сигналы на модуле управления.

Осциллограф необходим для поиска и устранения неисправностей цифрового датчика.Следующие рекомендации помогут вам поставить диагноз:

• С цифровым датчиком на эффекте Холла, если сигнал на датчике высокий, прерывистый или полностью отсутствует, цепь от модуля управления исправна.
• В разных блоках управления используются разные уровни напряжения сигнала; Обычны 5, 8, 9 и 12 вольт. Этот уровень напряжения сигнала должен быть в пределах 10% от заданного напряжения, иначе блок управления не обнаружит изменение состояния напряжения.
• Если сигнал низкий, прерывистый или полностью неработающий, регулятор напряжения или цепь в блоке управления могут быть неисправны, сигнальный провод может быть разомкнут или заземлен, или датчик эффекта Холла может быть неисправен и тянет сигнал на землю.
• Если уровень напряжения заземления датчика не находится в пределах 10% от напряжения заземления автомобиля, блок управления не обнаружит изменение состояния сигнала.
• Если напряжение остается высоким или низким, убедитесь, что цель движется.
• При выходе из строя нескольких датчиков Холла убедитесь, что цель не попадает в один из них.
• Когда сигнальный провод Холла закорочен или периодически или постоянно замыкается на источник питания, он сгорает в электронных схемах внутри датчика Холла и обычно приводит к замыканию сигнала на землю.Датчик Холла рассчитан на ток 20 миллиампер или меньше. Резистор расположен в сигнальной цепи, поэтому он может ограничивать ток, протекающий по этой цепи. Если сопротивление этого резистора снизится, ток увеличится, что приведет к многочисленным отказам датчика Холла.

Существует множество конфигураций датчиков Холла. Все эти устройства работают по одним и тем же основным принципам, описанным здесь. Когда вы работаете в отсеке обслуживания, позвольте своему блеску сиять, как у доктора Эдвина Холла.Обратите внимание на то, что необычно, и действуйте в соответствии с этим.

Скачать PDF

Герконовые переключатели в сравнении с переключателями на эффекте Холла

Два сенсорных решения для технических приложений

Спрос на герконы в последнее время значительно вырос. В первую очередь это связано с их механической структурой, которая снижает потребление энергии до нуля, когда переключатель находится в пассивном состоянии. Вот почему герконы являются привлекательной альтернативой датчикам на эффекте Холла для приложений, в которых энергоэффективность и низкое энергопотребление являются ключевыми.

Технологии Рида и Холла основаны на различных конструктивных концепциях. Оба управляются и активируются с помощью внешнего магнитного поля — однако датчик на эффекте Холла по-прежнему требует для работы электрической цепи, которая требует питания, даже когда датчик находится в пассивном состоянии, поскольку принцип его конструкции основан на предоставлении выходного сигнала. сигнал. С другой стороны, геркон представляет собой механический переключатель, который активируется только магнитным полем для переключения нагрузки.Если он не получает этот импульс, он не потребляет энергию. Это ключевое различие имеет множество последствий для конкретных приложений обеих форм технологии.

«Обе технологии имеют собственное специфическое применение»
«Спрос на герконовые датчики в последнее время значительно вырос на фоне перехода Германии к энергетике и требования уделять приоритетное внимание энергоэффективности при производстве конечных устройств», — говорит Мартин Райзнер, Менеджер по продукции Магнитные датчики положения EMEA у производителя датчиков Standex.Рейзнер не считает, что эта тенденция в ближайшее время закончится. «Все больше и больше производителей переходят на тростниковую технологию, особенно в случае бытовой техники, такой как посудомоечные машины, холодильники или устройства с батарейным питанием». Производители датчиков и заказчики в равной степени стремятся минимизировать потребление электроэнергии приложением, которое можно оптимизировать и / или снизить в соответствии с требованиями устройства за счет использования язычковой технологии.

Реальность такова: «Обе технологии имеют свое специфическое применение», — добавляет Рейзнер.Он считает, что датчики на эффекте Холла лучше подходят для высокоскоростных приложений в диапазоне 1 кГц и выше, потому что именно здесь язычковый контакт встречается с его физическими рабочими границами. Для приложений с частотами ниже 1 кГц Reizner рекомендует герконы. Эти приложения включают расходомеры, которые используются в бытовой технике. Несмотря на то, что еще нет стандартов безопасности для герконов и каждое приложение должно проходить отдельный процесс авторизации и утверждения безопасности, они предлагают одно ключевое преимущество перед датчиками на эффекте Холла: гистерезис переключения.

Благодаря своим физическим характеристикам, механический герконовый переключатель имеет гистерезис переключения, который описывает разницу между точками втягивания и отпускания герконового переключателя. Другими словами, если проходящий магнит достигает заранее заданной точки втягивания в 5 мм от геркона, например, его лопасти закрываются, и герконовый переключатель становится активным. Если магнит продолжит движение до достижения заранее определенного положения отпускания 7 мм, он отключится только в этот момент. Итак, гистерезис переключения равен 2 мм.Эта функция может потребоваться в определенных приложениях, таких как тростниковый расходомер воды с лопастным колесом. Этот переключатель устойчив к случайным движениям волн на воде, которые могут немного сдвинуть лопаточное колесо. Производители не хотят, чтобы переключатель активировался, что могло бы вызвать измерение из-за таких движений. Перед срабатыванием переключателя и измерением счетчиком расход воды должен достичь определенного значения. Другими словами, если геркон перемещается в пределах своего гистерезиса, он не будет измерять единицы воды.Напротив, датчики на эффекте Холла активируются или деактивируются, как только вода движется.

Самый маленький герконовый переключатель в мире
Механическая конструкция геркона также влияет на его стоимость. Герконовые переключатели дешевле в производстве, чем датчики на эффекте Холла, причем последние требуют таких функций, как дополнительные внешние переключатели, схемы усиления, стабилизация температуры, защита от короткого замыкания и потребление электроэнергии. Герконовый переключатель может не соответствовать датчику на эффекте Холла по своему минимальному размеру, но Standex Electronics в настоящее время производит самый маленький герконовый переключатель в мире со стеклянной оболочкой длиной чуть менее 4 мм.Это обеспечивает непревзойденную компактную конструкцию язычка, которая по размеру может конкурировать с датчиками на эффекте Холла.

Сам геркон заключен в стеклянную оболочку, заполненную защитным газом, обычно азотом. Этот блок также защищен прочным элементом корпуса. Стекло и корпус обеспечивают герметичность геркона от атмосферных воздействий, таких как пыль, масло, вода и химические вещества, которые могут нарушить работу датчика. Дополнительным преимуществом герметичного уплотнения является защита датчика от коррозии.Герконовые переключатели также обладают рядом преимуществ при использовании в экстремальных тепловых условиях, например, при очень высоких или низких температурах. Датчики на эффекте Холла в таких условиях начинают страдать с точки зрения производительности и надежности, тогда как герконы отлично работают при температурах от -65 ^O C до +150 ^O C (датчики на эффекте Холла: от -55 ^O C до + 125 ^O C).

Механические характеристики геркона также делают его невосприимчивым к электронным помехам, что означает, что он не требует какой-либо защиты от электромагнитного разряда (ESD), в отличие от датчика Холла.В результате герконы имеют высокий уровень электромагнитной совместимости (ЭМС) с соседними устройствами, имеющими отношение к системе. Датчик на эффекте Холла не обеспечивает такой электромагнитной совместимости, поскольку он должен излучать выходной сигнал и, следовательно, требует постоянного источника питания. Это означает, что необходимо принять особые меры предосторожности по электромагнитной совместимости, чтобы изолировать датчик на эффекте Холла от соседних устройств. Самая проблемная область здесь связана с током утечки; специальная защита от электростатического разряда (ESD) очень важна.

Максимальная изоляция геркона составляет 1015 Ом, что во много раз выше, чем у переключателя на эффекте Холла. Токи утечки по-прежнему возникают с герконовыми переключателями. Однако эти токи находятся в диапазоне фемпто-ампер, который настолько незначителен, что находится в пределах допусков, применяемых к медицинским устройствам. Механический принцип, на котором основан геркон, также позволяет ему измерять крошечные напряжения. Это связано с низким контактным сопротивлением 50 мОм, что значительно ниже контактного сопротивления датчика Холла.

Основной диапазон потенциальных нагрузок, которые можно переключать с помощью геркона, огромен: он простирается от нановольтного до киловольтного, от фемптоампер до ампер и позволяет работать на частотах до 10 ГГц. Даже самые маленькие герконы способны изолировать напряжение до 1000 вольт. Для этого не требуется никакой защиты от электростатического разряда.

Конфигурация для конкретного приложения
Герконы доступны в различных размерах с разными амперными витками и гистерезисами в зависимости от расстояния и размера магнита.Благодаря принципу действия переключателя эти параметры язычка могут быть адаптированы к требованиям конкретного приложения, другими словами, к особым требованиям классов энергоэффективности. Это ставит датчик на эффекте Холла в невыгодное положение. Можно запрограммировать микросхему Холла, чтобы компенсировать эту слабость, но она все равно отстает от геркона, когда дело доходит до конфигурации для конкретного приложения.

Датчики на эффекте Холла

больше подходят для приложений с частотами выше 1 кГц.К ним относятся высокоскоростные датчики для измерения оборотов в минуту. Из-за отсутствия гистерезиса переключения датчик на эффекте Холла также обеспечивает гораздо более высокую повторяемость при измерении сигнала. Это также означает, что у них более длительный жизненный цикл. Датчик на эффекте Холла с его 500 миллионами циклов переключения намного превосходит герконовую технологию в этом отношении. Однако, если герконовый переключатель требуется для переключения преимущественно небольших нагрузок ниже 5 вольт, как в случае применения счетчиков, миллиарды циклов переключения могут быть достигнуты с помощью герконов.

Для получения дополнительной информации о Standex Electronics посетите наш веб-сайт standexelectronics.