Конструкция датчиков Холла
В ходе эксплуатации отлично проявились традиционные полупроводниковые материалы – арсениды галлия и индия. Обычно сенсор Холла представляет небольшую пластинку, к противоположным граням которой подходят парные электроды. Питающие широкие и располагаются на протяжении стороны прямоугольника. Где снимается сигнал – простейшие точечные. В любой схеме отмечается общая точка (нулевой провод, нейтраль), сумма контактов равняется трём. Отрицательные линии объединяются.
Специалисты отмечают, что даже в отсутствии магнитного поля на электродах остаётся, как правило, небольшой сигнал. Это объясняется не влиянием нашей планеты, как подумают читатели. Потенциал вдоль боковой кромки пластинки распределяется неравномерно. И выявлять эквивалентные точки не всегда целесообразно. Проще тарировать сопрягаемую с датчиком электронику, либо ориентироваться на точечные импульсы, что часто делается на практике. Для коррекции часто применяются дифференциальные усилители (на выход выдаётся лишь изменение сигнала).
Особенности конструкции датчика
Толщина плёнки проводника обычно мала, едва достигает 10 мкм. Для нанесения на подложку используется способ литографии. Это позволяет создать датчики Холла с малой чувствительной площадью, что сильно и часто повышает точность измерений, ведь поверхность невелика. В приборах это используется для оценки положений деталей механизмов. Впрочем малогабаритные датчики обнаруживают сравнительно низкий отклик, измеряемый в величинах Вт/Тл (выдаваемая мощность полезного сигнала в зависимости от напряжения магнитного поля). Для серийных датчиков Холла параметр обычно укладывается в пределы от 0,03 до 1.
На практике это выглядит как генератор импульсов. Допустим, на валу двигателя стиральной машины стоит ряд магнитов, при обороте вырабатывается определённое количество пиков. В результате электронная начинка оценивает скорость вращения, угловое положение ротора, что используется, к примеру, в вентильных двигателях (с электронным переключением обмоток).
Сделаем отступление и объясним, почему малогабаритный датчик Холла отличается слабым откликом. Амплитуда вырабатываемых импульсов зависит от протекающего постоянного тока, а он не может быть велик, в противном случае плёнка проводника (обладающая достаточно большим сопротивлением) перегреется и сгорит. Поэтому допустимые значения (в амперах) составляют от 5 до 50 мА.
Окончательная проверка ДХ
Чтобы убедиться в работоспособности ДХ окончательно, следует провести диагностический прием. Однако существует несколько вариантов проверки, и каждый специалист пользуется либо своим любимым способом, либо тем, который наиболее эффективен и легок в конкретной ситуации.
Проверка датчика холла мультиметром
Статья в тему: Процедура замены и демонтажа моторчика печки на Рено Сандеро или Логан
Самым распространенным вариантом проверки является сравнение показаний тестера с заводскими. Другими словами, мультиметр подключается к выводам ДХ, и проверяются значения на приборе. Как правило, если показания при открытой шторке ДХ равны прибл. 0,4 В, датчик работает нормально.
Другой способ не менее популярен. Его чаще применяют автовладельцы, которые не возят с собой измерительных приборов. Этот способ дает наиболее точные показания. Надо заменить ДХ, установленный в машине, аналогичным регулятором. Если с новым датчиком автомобиль поведет себя нормально, двигатель не будет «зависать», значит, диагноз подтвердился – старый ДХ больше негоден.
Как сымитировать датчик холла
Некоторая часть экспертов рекомендует проводить диагностику ДХ с помощью имитатора. Такое устройство, часто изготовленное своими руками, подключается к системе зажигания. Если искра после этого подается нормально, а до этого ее не было – ДХ неисправен.
Чтобы легко заменить ДХ, необходимо лишь придерживаться нижеприведенной инструкции:
- с трамблера вынуть крышку;
- провернуть коленвал до совпадения метки шкива с меткой крышки грм;
- обозначить положение ротора распределителя (бегунка);
- демонтировать распределитель с помощью соответствующих инструментов;
- снять штифт, крепящий положение маслоотражательной муфты (выбить удастся молотком, а вытянуть — пассатижами);
- демонтировать и муфту, и шайбу;
- снять вал из корпуса трамблера;
- обесточить выводы ДХ;
- открутить датчик, вытащить его через отверстие;
- поставить новый, все собрать в обратной последовательности.
Назначение ДХ и принцип его функционирования
ДХ имеют много преимуществ, среди которых выделяются:
- небольшие размеры;
- прямоугольный формат электросигнала, что дает возможность мгновенно набирать конкретную константу без каких-либо скачков и всплесков.
Среди недостатков ДХ выделяют:
- чрезмерная чувств-сть к помехам ЭЛМ полей, возникающих в цепочке питания;
- более высокая стоимость ДХ относительно магнитоэлектрического устройства, обладающего при этом большей надежностью (с точки зрения теории).
В условном понимании ДХ можно разделить на 2 группы: линейные и логические. Другими словами, в одном из датчиков выход подразумевает линейность, в другом – логичность.
Схема зажигания БСК
Например, линейный датчик используется для вычисления незначительных сдвигов или для конструирования иных, менее упрощенных приборов. Кроме того, такой ДХ может быть использован, как сверхчувствительный компонент регулятора напряжения с химической основой.
Назначение логического датчика – вычисление наличия любых соединений с магнитными свойствами, что реализуется чувствительной областью ДХ.
Самое главное в применении ДХ – отлаженное и проверенное годами производство, ведь только таким образом обеспечивается полная и несомненная надежность изделия.
Датчики с магнитом – одни из самых распространенных приборов в автомобильной промышленности. Родившись в эру прогресса электро, они остались популярными до сих пор.
Взаимосвязь магнита и тока, выраженная тем, что трансформация импульса всегда связана с возникновением магнитного поля, привела к сегодняшним реалиям. Другими словами, контроль перемены силы тока в автомобильных системах зажигания регулируется с помощью ДХ.
ДХ – обязательный элемент современной бесконтактной системы зажигания. Кроме того, эти датчики нашли применение и в других автомобильных системах. Например, используются они в качестве счетчиков оборотов – тахометров, но обязательно в связке с постоянными магнитами.
Современный трамблер
ДХ состоят, как и говорилось выше, из пластины холла и магнита. Однако, это не аксиома, так как встречаются ДХ и без встроенного магнита.
Функционирование и назначение ДХ можно легко объяснить его составом. На прямоугольнике-полупроводнике, размером в несколько квадратных миллиметров или пленке, изготовленной из кристаллического материала имеются 4 электрода. Они предназначены для подвода тока и съема информации.
Принцип работы датчика холла
В целях исключения случайных механических сбоев, полупроводниковый материал крепится на прочной подложке, а пленка обрабатывается диэлектрическим веществом.
Чтобы обеспечить лучший эффект, толщина пластинки или пленки датчика делается как можно меньше.
ДХ применяются для бесконтактного контроля магнитной зоны. В некоторых случаях можно применять ДХ с вмонтированным ферритовым стержнем, что позволяет в разы увеличить КПД регулятора.
Еще один способ представить работу датчика холла, выглядит следующим образом.
- В ДХ имеется постоянный магнит, образующий магнитную зону.
- Пластина-полупроводник пересекает это самое поле, образуется преобразование – замыкание промежутка зубца, расположенного на распредвале.
Этот самый зуб называется репером (в геодезии – знак, метка).
- Итак, это самая точка в момент соприкосновения образует токоимпульс, подающийся к ЭБУ.
- Передаваемый импульс зависит полностью от амплитуды вращения распредвала. Это означает, что он поступает на различных временных промежутках.
- Импульс, как и говорилось, идет на ЭБУ.
- Последний раскодирует импульс, таким образом определяя положение ВМТ в 1-м цилиндре двигателя.
- Только после этого идет разрешение на поступление горючего в камеру сгорания с ее последующим возгоранием.
Примечательно, что несколько иначе функционирует аналогичный датчик дизельного мотора. Топливо в данном случае более тяжелое, что и определяет разницу. Датчик холла дизеля больше нужен для контроля прохождений поршней ВМТ. Таким образом, с наибольшей точностью выставляется отношение валов между собой.
Как работает датчик Холла
Во время своих исследований в 1879 году физик Холл выявил такой эффект, что если в магнитном поле находится пластина, на которую подается напряжение (ток протекает через пластину), тогда электроны в указанной пластине начинают отклоняться. Такое отклонение происходит перпендикулярно по отношению к тому направлению, которое имеет магнитный поток.
Также направление этого отклонения происходит в зависимости от той полярности, которую имеет магнитное поле. Получается, электроны будут иметь разную плотность на разных сторонах пластины, создавая разные потенциалы. Обнаруженное явление получило название эффект Холла.
Другими словами, Холл поместил прямоугольную полупроводниковую пластину в магнитное поле и на узкие грани такого полупроводника подал ток. В результате на широких гранях появилось напряжение. Дальнейшее развитие технологий позволило создать на основе обнаруженного эффекта компактное устройство-датчик. Главным преимуществом датчиков подобного рода выступает то, что частота срабатывания устройства не смещает момент измерения. Выходной сигнал от такого устройства всегда устойчивый, без всплесков.
Простейший датчик состоит из:
- постоянного магнита;
- лопасти ротора;
- магнитопроводов;
- пластикового корпуса;
- электронной микросхемы;
- контактов;
Работа устройства построена на следующей схеме: через зазор осуществляется проход металлической лопасти ротора, что позволяет шунтировать магнитный поток. Результатом становится нулевой показатель индукции на микросхеме. Выходной сигнал по отношению к массе практически равняется показателю напряжения питания.
Датчик Холла в системе зажигания является аналоговым преобразователем, который непосредственно коммутирует питание.
Среди недостатков стоит выделить чувствительность устройства к электромагнитным помехам, которые могут возникнуть в цепи. Также наличие электронной схемы в устройстве датчика несколько снижает его надежность.
Типы и сфера применения
На сегодняшний день существует несколько видов датчиков, которые работают по принципу Холла. Условно они делятся на два типа: цифровой и аналоговый.
Аналоговый датчик холла – самое первое устройство данного типа. Функционирование прибора зависит от силы магнитного поля: чем оно сильнее, тем больше напряжение будет вырабатывать сердечник. В автомобилях такие датчики сейчас не используются, потому что они имеют большие габариты и не всегда эффективную конструкцию.
Элемент аналогового датчика Холла
Цифровой датчик холла часто используется в автомобилях и может быть униполярным и биполярным. Вот их основные отличия:
- Униполярный датчик холла активируется, когда магнитное поле нарастает, а при снижении его силы, устройство выключается;
- Биполярный датчик холла реагирует не на саму силу магнитного поля, а на его полярность. При смене полюсов устройство включается/выключается.
Оба вида относятся к типу линейных датчиков холла. Но в категорию цифровых устройств также входит оптический датчик холла. В отличие от классического устройства, этот прибор не реагирует на магнитное поле. В нем установлен фотоэлемент, который фиксирует положение лопастей вращающегося ротора или вала намного эффективней.
Элемент цифрового датчика Холла
Плюсами такого типа датчиков являются:
- Не боится резкой перемены магнитного поля;
- На него не влияет магнитное поле генератора;
- Дольше работает в области действия переменного магнитного поля;
- По сравнению с классическим магнитным датчиком холла меньшая чувствительность к скачкам напряжения;
- Точнее фиксирует положение зубцов коленвала или другого вращающегося вала, что делает систему зажигания более эффективной.
Помимо привычной сферы применения (в системе зажигания и в некоторых автомобилях для контроля фаз газораспределения) датчики холла также используются для замеров силы тока, вибраций или углов поворота. Такие устройства работают как с переменным, так и с постоянным током.
В автомобилях в основном используются цифровой тип датчиков, которые фиксируют наличие и отсутствие магнитного поля определенной величины. По этому принципу срабатывают разные датчики скорости и положения.
Датчики, работающие по принципу Холла, также нашли свое применение и в электротранспорте. Так, их устанавливают для того, чтобы фиксировать и контролировать ток в электродвигателе в процессе езды, а также регулировать заряд/разряд АКБ.
Методы проверки
Можно применить несколько методов диагностики датчика, расположенного на трамблере.
В зависимости от имеющихся средств и возможностей, автомобилист может своими руками проверить текущее состояние контроллера Холла, оценить его работоспособность и принять соответствующее решение о замене.
Как только вы заметили один или несколько из представленных симптомов, стоит взяться за проверку. Делать ее можно несколькими способами. Предлагаю рассмотреть их отдельно.
Клин клином
Самый простой и эффективный метод, который не потребует от вас вооружаться тестером или мультиметром. Но потребуется заведомо исправный аналогичный датчик Холла.
Суть диагностики до безобразия простая. Вы снимаете старый контроллер, устанавливаете на его место новый. Если после проведенной манипуляции симптоматика проходит и работа двигателя нормализуется, тогда просто оставляете новую деталь на месте. Если вы брали ДХ у товарища или соседа по гаражу, снимаете девайс, благодарите, и идете в магазин автозапчастей.
Замена
Рассмотрим, как эталонную процедуру замены датчика холла ВАЗ. Процесс элементарный даже для начинающих автолюбителей.
Порядок как заменить датчик Холла:
- Снимают трамблер, демонтируют его крышку.
- Совмещают метки механизма газораспределения, коленвала.
- Демонтируют крепежи гаечным ключом. При этом рекомендовано пометить, запомнить (сфотографировать на смартфон) расположение трамблера.
- Фиксаторы, стопоры в корпусе также демонтируют.
- Вынимают вал из трамблера.
- Отсоединяют клеммные контакты, откручивают монтажные болты, через щель вытаскивают обнаружитель.
- Подключить датчик исправный — действия в обратном порядке.
Схема подключения в автомобиле как таковая отсутствует, так как датчик имеет кабель питания со штекером, то есть распиновка уже есть, а фишка снабжена «защитой от дурака», ключами (выступами), делающими невозможным неправильную установку. На коробочке обнаружителя есть отверстия под болты для посадочного места.
В других устройствах Hall effect sensor припаивается согласно расположению ножек и контактов под них на плате. Если взять «голый» датчик, впрочем, и если есть корпус, расположение контактов аналогичное. Нужную ножку для припаивания на плату определяют просто, как на нижеуказанной схеме.
Аналоговые/пропорциональные датчики для повышения стабильности и точности
Аналоговые измерительные приложения позволяют конечному пользователю мгновенно получать обратную связь о положении магнита. Аналоговый датчик Холла обладает высокоточным выходным сигналом с высоким разрешением.
Ранее аналоговые датчики Холла измеряли у магнитов плотность потока и в значительной степени зависели от внешней температуры. Так как в последние годы аналоговые технологии эффекта Холла развивались, теперь, вместо традиционной амплитуды поля, микросхема с датчиком Холла теперь измеряет угол поля, делая его намного менее чувствительным к изменениям температуры. Это улучшение позволяет датчику обеспечивать более стабильный аналоговый выходной сигнал в широком диапазоне температур.
Рассмотрим два типа датчиков Холла, которые могут быть выбраны для аналоговых измерительных схем:
Поворотный датчик Холла: преимущества и применение
Этот полупроводниковый датчик изменяет выходное напряжение при изменении магнитного поля. Он сочетает в себе измерительный элемента на основе эффекта Холла и электрическую схему, обеспечивающую аналоговый выходной сигнал, который соответствует изменению вращающегося магнитного поля без использования каких-либо движущихся частей. Этот датчик предлагает два варианта выходного сигнала: аналоговый или широтно-импульсно-модулированный (ШИМ). Устройство программируется таким образом, чтобы инженер мог связать определенное выходное напряжение или ШИМ сигнал с точной степенью поворота. При повороте до 360° доступны несколько точек программирования. Каждая программируемая точка представляет собой напряжение или ШИМ сигнал, который соответствует заданному углу магнитного поля. Это приводит к получению выходного сигнала, пропорционального углу поворота.
В отличие от механического и резистивно-плёночного поворотных устройств поворотный датчик Холла не испытывает механического износа или изменения значений сопротивления. Кроме того, он очень стабилен при нормальных рабочих температурах вплоть до +105°C. Результаты измерения угла поворота в диапазоне 0°–360° точно калибруются в соответствующем диапазоне выходного постоянного напряжения 0,5В–4,5В или коэффициента заполнения ШИМ сигнала 10–90%.
Поворотные датчики Холла становятся очень популярными для замены механических резистивно-пленочных потенциометров. Они используются в автомобильных и внедорожных приложениях, таких как определение положения клапана EGR в двигателях. Эти датчики также могут использоваться для определения положения поворотных ручек в приборах и бытовой технике.
Рисунок 3 – Поворотный датчик Холла, используемый в поворотной ручке стиральной машины
Линейный датчик Холла: преимущества и применение
Линейные датчики Холла похожи на поворотные датчики Холла, за исключением того, что они измеряют не угловое, а линейное движение магнитного поля. Датчик Холла программируется для выдачи заданного напряжения, пропорционального заданному расстоянию. Типы выходного сигнала у него такие же, как и у поворотного датчика Холла. Датчик измеряет линейное перемещение и относительный угол потока магнитного привода на расстоянии до 30 мм на каждую микросхему с датчиком Холла. Это дает в результате выходной сигнал, точно пропорциональный перемещению датчика.
Перед программированием выходных напряжений или значений ШИМ-сигнала, соответствующих относительному значению магнитного поля от магнита на приводе, датчик и привод могут быть помещены на место окончательного монтажа в устройстве, чтобы в процессе программирования учесть все магнитные воздействия от близлежащего окружения. Это позволит инженеру отрегулировать выходной сигнал датчика, поскольку в процессе программирования будут учтены любые шунтирующие, механические воздействия и воздействия посторонних магнитных полей.
Линейные датчики Холла часто используются в качестве датчиков контроля уровня жидкости. В этом применении датчик определяет положение движущегося поплавка с прикрепленным магнитом. Линейные датчики также полезны в более сложных конструкциях, таких как автомобильная коробка передач.
Принцип работы
Рассмотрим, как устроен импульсный преобразователь. Он выдает сигналы, если изменяется разность потенциалов, которая возникает в проводнике, когда его пересекает магнитное поле. Создается магнитное поле постоянным магнитом, который находится в приборе.
Магнитное поле меняется, если репер (металлический зуб) замыкает специальный разъем. Репер может находиться либо на зубчатом колесе распредвала, либо на задающем диске, расположенном на валу. На схеме показано устройство преобразователя.
Схема устройства прибора.
Если двигатель оборудован системой изменения газораспределителых фаз, то устройство устанавливается на выпускной и впускной клапан распредвала.
Схема работы устройстваВ дизеле устройство Холла помогает определить положение распредвала относительно коленвала. Таким образом обеспечивается устойчивая работа силового агрегата во всех режимах. Для реализации этого процесса изменена конструкция задающего диска распредвала. Он имеет репер для каждого цилиндра.
Знание устройства дает возможность понять, из-за чего могут возникнуть неисправности, как выполнить ремонт либо замену своими руками.
Как проверить датчика Холла на работоспособность
Для проверки датчика можно собрать несложную схему, для которой, кроме самого датчика, понадобятся:
- источник питания на нужное напряжение;
- резистор сопротивлением около 1 кОм;
- светодиод;
- магнит.
Если светодиода нет, то вместо него (и токоограничивающего резистора) можно использовать мультиметр (цифровой или стрелочный) в режиме измерения напряжения.
К источнику питания особых требований не предъявляется – токи в схеме совсем небольшие. Его напряжение должно быть в пределах напряжения питания проверяемого датчика. Светодиод подключается анодом к плюсу источника напряжения, катодом к выходу проверяемого устройства, так как датчик обычно выполняется с открытым коллектором (но лучше проверить по даташиту).
Порядок проверки зависит от типа тестируемого устройства.
- Чтобы проверить униполярный цифровой датчик, надо поднести к нему магнит одним полюсом. Светодиод должен загореться (отклониться стрелка стрелочного вольтметра или измениться скачком показания цифрового тестера). При удалении магнита на значительное расстояние схема должна прийти в исходное положение. Если датчик не сработал, надо перевернуть магнит другим полюсом и повторить процедуру. Если светодиод вспыхнул, значит, датчик исправен. Если успеха добиться не удалось ни в одном положении магнита, устройство к работе непригодно.
- Биполярный цифровой датчик проверяется по похожей методике, только светодиод загорается при одном положении магнита, и не гаснет при удалении источника магнитного поля. На дальнейшие манипуляции тем же полюсом схема реагировать не должна. Если перевернуть магнит и поднести его к датчику в противоположной полярности, то светодиод должен погаснуть. Это говорит об исправности проверяемого устройства. Если схема работает не так, значит, датчик вышел из строя.
- Омниполярный цифровой датчик Холла проверяется таким же образом, как и униполярный, но срабатывать магниточувствительное устройство должно при любом положении магнита.
Аналоговые датчики проверяются по той же методике, что и цифровые, но напряжение на выходе должно меняться не скачком, а плавно по мере возрастания магнитной силы (например, приближения постоянного магнита или увеличения тока в обмотке электромагнита).
С практической стороны интересен вопрос, как проверить датчик Холла, установленный в системе бесконтактного зажигания автомобиля. Для этого надо снять разъем с датчика и собрать указанную схему прямо на штырьках.
Здесь также светодиод можно заменить мультиметром. Проворачивая коленвал автомобиля вручную, можно наблюдать периодические вспышки LED или изменения выходного напряжения от нуля до приблизительно напряжения бортсети авто. Альтернативный способ проверки в гаражных условиях – временная замена устройства на заведомо исправный запасной датчик.
Датчик Холла нашел широкое применение в бытовой и промышленной технике. Проверить его на исправность несложно, если есть понимание принципа его работы.
Что такое герконовый датчик и где он применяется?
Что такое индуктивный бесконтактный датчик, его устройство и принцип работы
Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность
Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен
Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность
Как подключить и настроить датчик движения для управления освещением: электрические схемы подключения и настройка датчика
