Датчик холла схемы включения и особенности функционирования

Датчик холла схемы включения и особенности функционирования

Магнитоэлектрическое устройство, принцип которого основан на открытии американского ученого, сегодня активно применяется в автомобильных системах. Речь идет о знаменитом датчике холла или ДХ. Интересно будет узнать, какие схемы его включения используются.

Принцип работы и уникальные свойства ДХ

Как известно, удивительный принцип ДХ был открыт следующим образом. В магнитное поле был помещен полупроводник, имеющий форму прямоугольника. Когда через параллельные плоскости пластины проходил импульс тока, возникало напряжение и на перпендикулярных им торцах прямоугольника. Это была поперечная разность потенциалов или как называют явление сегодня – холловское напряжение.

Современные ДХ имеют большей частью щелевую конструкцию. Другими словами, конструкцию с отверстиями, щелями. На одной из сторон отверстия бывает расположен проводник, через который пропускается импульс, а на второй – постоянный магнит.

Интересный момент. В зазоре, образовавшемся между постоянным магнитом и пластиной, предусмотрена бывает перегородка, спроектированная для перемыкания токовых линий. Так вот, когда она убирается, то разность потенциалов не действует, и наоборот, когда она есть – линии замыкаются.

Одним словом, когда экран (перегородка) проходит зазор, на микросхеме бывает нулевая индукция, а на выходе образуется напряжение.

Такой принцип функционирования позволил использовать данную схему в виде регистрирующего устройства, не имеющего механические контакты. Это было великое открытие в автомобилестроении, где не знали, что делать с устаревшей контактной группой, часто доставляющей конструкторам проблемы.

Благодаря возможностям нынешней электроники удалось преобразовать аналоговые ДХ в цифровые. Однако в автомобилестроении чаще используются преобразователи, основанные на изменении индукции поля. Величина таких аналоговых преобразователей полностью зависит от силы и полярности магнитного поля.

А вот цифровые ДХ вообще не подразумевают наличия магнита. Принцип их действия основан на выдаче логической единицы. В момент импульса, индукция достигает пороговой величины, и наоборот, когда номинал не достигается, установлен ноль. Но на самом деле, цифровой ДХ не лучше аналогового, так как чересчур чувствителен.

Не только автомобильная электрика, но и авиация, машиностроение получили большую выгоду от внедрения и применения ДХ. Безусловно, этому способствовала высокая точность показаний и надежность датчиков, стоящих копейки.

Например, если бы не было ДХ в автомобильных системах, то пришлось бы использовать дорогие приборы, которые были бы в состоянии следить и контролировать функционирование различных узлов и механизмов с потрясающей точностью.

Помимо этого, ДХ применяются и в других целях. Например, это превосходный элемент для создания левитрона – игрушки, висящей в воздухе. Многочисленные умельцы и конструкторы, заинтересованные схемой собирания левитрона, совершенствуют принципы работы ДХ.

Магнитометр и тахометр

Можно сказать, что ДХ – есть магнитометр, но это не совсем так. Магнитометром является прибор, измеряющий характеристики магнит. поля. В связи с тем, что есть зависимость от диагностируемой формации, различают: деклинаторы, эрстедметры, флюксметры и другие приборы с аналогичной схемой действия.

В более узком понимании магнитометр нужен для измерений особенностей магнитного поля. И тут одной из важнейших уникальных качеств устройства является ее чувствительность.

Однако, абстрагировать текущий формат, превратить его целостным для всех приборов нет практической возможности, ведь каждая из моделей магнитометров различается принципом действия, отдельной функцией обработки сигнала и неодинаковой конструкцией преобразователя.

Аналоговые ДХ и сами являются магнитометрами, способны контролировать магнитную индукцию и поле. Но самое главное, что и является отличительной чертой ДХ от магнитометра, является способность преобразовывать индукцию магнита в выходное напряжение.

Тахометр – тоже является измерительным прибором, но он предназначен для измерения частоты вращения различных деталей, находящихся в движении (вращении).

К примеру, в автомобильных системах тахометр легко определяет частоту вращения коленвала, показывая обороты в минуту.

Примечательно, что тахометры могут быть установлены в систему, где работает ДХ, и соответственно, получать импульсы непосредственно от датчика.

Как и ДХ, тахометр бывает цифровым и аналоговым. Первый бывает выполнен в виде электронного табло, где показывается информация, производятся математические подсчеты оборотов ДВС и валов. Полезная штука для работы с системами ЭБУ и для настройки современных моторов.

Схемы, в которых задействуется ДХ

Преобразователь ДХ в электрической цепи автомобиля – важнейшее звено. Расположен ДХ на схеме в самом конце цепи или ее начале. Вот, как это можно себе представить:

• от аккумуляторной батареи идет токовый импульс на замок зажигания, который если включается, то подает напряжение в цепь;
• первой принимает напряжение катушка зажигания, передающая также преобразованную энергию (ток с высоким вольтажом) на свечи зажигания;
• одновременно катушка связана по схеме с коммутатором, имеющим 7 выводов;
• датчик располагается в самом конце цепи, соединяясь посредством разъема с выводами коммутатора.

Это схема, которая используется в обычных автомобильных системах, а вот в масляных обогревателях, где тоже применяется ДХ, они задействованы в схему определения вертикального положения.

Схема подобного типа получает импульс от бестрансформаторного БП, а выходное ее напряжение стабилизируется с помощью стабилитрона. Что касается переменной составляющей, то она отфильтровывается емкостным диодом.

Еще одна популярная схема, в которой используется ДХ, это схема определения скорости и направления движения (вращения). Здесь ДХ может быть задействован, как помощник тахометра или отдельный контроллер. Его задача – преобразовывать амплитуду и курс вращения в единый электроимпульс для дальнейшей передачи.

Благодаря такой схеме удается контролировать обороты валов, определять направление вращения, учитывать расход жидкости и многое другое.

В основе функционирования такой схемы лежит преобразование, осуществляемое датчиком SS52DT или ДХ с 2-я полупроводниковыми элементами. При попадании в зону действия магнитного поля, генерируется разность потенциалов, которая и позволяет собственно измерять амплитуду и направление вращения.

Существуют и другие схемы, в которых задействует ДХ. Например, упрощенная конструкция для определения скорости, где используется выходной сигнал или упрощенная схема для определения направления.

Датчик Холла – принцип работы из школьного курса физики

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.

1. затрудненный запуск двигателя, причём в некоторых случаях запустить его не получается совсем;
2. нестабильный холостой ход (обороты плавают);
3. во время движения при повышении оборотов чувствуются резкие рывки;
4. двигатель может заглохнуть в любой момент без видимых на то причин.

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.

Датчики Холла

Датчик Холла — это датчик магнитного поля. Он был так назван из-за принципа своей работы — эффекта Холла : если в магнитное поле поместить пластину с протекающим через неё током, то электроны в пластине будут отклоняться в направлении, перпендикулярном направлению тока. В какую именно сторону будут отклоняться электроны, зависит от полярности магнитного поля:

1. Электроны
2. Пластина
3. Магниты
4. Магнитное поле
5. Источник тока

Датчики Холла (далее просто ДХ) бывают аналоговыми и цифровыми. Аналоговый преобразует индукцию магнитного поля в напряжение, знак и величина которого будут зависеть от полярности и силы поля. Цифровой же выдаёт лишь факт наличия/отсутствия поля, и обычно имеет два порога: включения — когда значение индукции выше порога, датчик выдает логическую единицу; и выключения — когда значение ниже порога, датчик выдаёт логический ноль. Наличие зоны нечувствительности между порогами называется гистерезисом и служит для исключения ложного срабатывания датчика на всяческие помехи — аналогично работает цифровая электроника с логическими уровнями напряжения. Цифровые ДХ делятся ещё на униполярные и биполярные: первые включаются магнитным полем определённой полярности и выключаются при снижении индукции поля; биполярные же включаются полем одной полярности, а выключаются полем противоположной полярности.

Аналоговый ДХ SS49E

Его размер — всего 4×3 мм, и он имеет три вывода:

Как видно, питание датчику нужно биполярное — тогда на южный полюс магнита датчик будет реагировать положительным уровнем на выходе, на северный — отрицательным, а на отсутствие поля — нулевым. Однако можно обойтись однополярным питанием — в этом случае уровень на выходе (Vo) в половину напряжения питания (Vdc/2) будет означать отсутствие магнитного поля, Vo > Vdc/2 — южный полюс, Vo < Vdc/2 — северный.

• Потребляемый ток: от 6 до 10 мА
• Выходной ток: от 1.0 до 1.5 мА
• Выходное напряжение: от 1.0 до 1.75 мВ/Гс, в среднем 1.4 мВ/Гс (милливольт на гаусс )
• Нулевая точка: от 2.25 до 2.75 В, в среднем 2.5 В
• Магнитный диапазон: от ±650 Гс до ±1000Гс
• Время отклика: 3 мс

Приступим к экспериментам. Подключаем вывод “+” к 5V Arduino, вывод “-” к GND, оставшийся — к Analog 0:

Заливаем в Arduino следующий скетч:

Не спеша подносим магнит вплотную сначала одним полюсом, потом другим, глядя в Serial monitor:

Цифровой биполярный ДХ TLE4945L

Выглядит он точно так же, как и аналоговый, даже выводы расположены так же:

Тут можно не бояться, биполярный он только в магнитном смысле, а питание ему можно подавать вполне себе обычное, однополярное. К слову, питание этот датчик принимает в довольно широком диапазоне — от 3.8 до 24 В, а ток может отдавать до 100 мА, что позволяет непосредственно от него запитывать управляемые им устройства (например, реле). Чувствительность у него почти точь-в-точь как у аналогового SS49E: от -600 Гс до -1000 Гс (северный полюс магнита) и от 600 Гс до 1000 Гс.

Подключается он чуть посложнее, чем аналоговый: выход датчика Q нужно подтянуть к питанию резистором в 10 кОм, так как выход у него с открытым коллектором:

А вот и суперсложное подключение, где выход Q подключен к цифровому пину 2:

Зальём в Arduino ещё один крутой скетч:

Теперь подносим магнит то одним полюсом, то другим и смотрим в Serial monitor:

Обратите внимание — датчик не переключается, пока не поднесёшь магнит другим полюсом, а ещё он очень чувствительный и переключается магнитом, вытащенным из дохлого CD-ROM’а, на расстоянии около 2 см!

Датчики Холла используются в качестве бесконтактных выключателей, как замена герконам, для бесконтактных замеров тока в проводниках, управления моторами, чтения магнитных кодов, измерения уровня жидкости (магнитный поплавок) и т.д.

Ну а я, имея два цифровых биполярных ДХ, сделаю бесконтактный магнитный энкодер . Принцип прост: на вращающийся диск лепим рядышком два магнита разными полюсами вверх (для униполярных ДХ хватит одного), а над ними размещаем цифровые ДХ и снимаем показания. Можно использовать скетч из статьи про энкодеры, но смотреть на стрелочки скучно, ведь хочется ещё посчитать обороты, так что напишем новый:

Выглядеть конечная установка может так:

Я разобрал старый нерабочий жёсткий диск и установил на его пластину два магнита от системы позиционирования головки CD-ROMа на расстоянии

5 мм друг от друга, а датчики разместил на креплении над пластиной, на расстоянии

15 мм друг от друга. Вот как оно работает:

Если не нужно знать направление вращения, а хочется просто считать обороты, то можно обойтись вообще одним униполярным датчиком и одним магнитом (: