Устройство датчика холла: Схема подключения датчика холла

Датчик Холла принцип работы | КакУстроен.ру

Датчик Холла своим появлением обязан американскому учёному-физику Эдвину Холлу, который в 1879 году совершил важное открытие гальваномагнитного явления. Практическая ценность эффекта Холла такова, что датчик, изготовленный на его основе, применяется в самых разных приборах и поныне. Сложное на первый взгляд устройство датчика не является таковым, если детально в нём разобраться. Итак, как же работает датчик Холла?

Датчик Холла: на самом деле – всё просто

Прибор основан на эффекте Холла, который заключается в следующем: если на любой полупроводник, вдоль которого протекает электрический ток, оказать воздействие пересекающим поперёк магнитным полем, то возникнет поле электрическое, называемое электродвижущей силой (ЭДС) Холла. При этом показатель напряжения изменится на величину от 0,4 В до 3 В.

Таким образом, датчик Холла имеет не слишком сложный для понимания принцип работы. Для большей ясности стоит привести наглядный пример.

Для создания эффекта Холла понадобятся тонкая пластинка-полупроводник, источник электрического тока, постоянный магнит, провода. Ток пропускается между двумя сторонами пластинки, параллельными друг другу. К двум другим сторонам крепятся провода. Одновременно с этим к полупроводнику подносится постоянный магнит. Это и есть генератор Холла.

Можно сделать его импульсным. Для этого достаточно разместить между пластинкой и магнитом движущийся экран с щелями в нём. Такая щелевая конструкция и принцип работы характерны для всех датчиков Холла.

От теории – к практике. Датчик холла: принцип работы и назначение современных генераторов

Практическое применение ЭДС Холла началось далеко не сразу после её открытия, так как полупроводники с нужными свойствами научились изготавливать промышленным способом лишь через несколько десятков лет.

Первые приборы получались довольно громоздкими и не очень эргономичными. Новую жизнь в судьбу датчика Холла привнесло развитие микроэлектроники, когда были придуманы микросхемы.

Их стали активно использовать в генераторах Холла. Благодаря этому был налажен выпуск миниатюрных датчиков, которые могут быть линейными (датчики тока, вибрации, положения, расхода и т.п.) и логическими (датчики приближения, частоты вращения, импульсов и т.д.), цифровыми и аналоговыми.

С помощью датчика Холла стали успешно измерять ток, мощность, скорость, расстояние. Даже в CD-приводе любого персонального компьютера используется ЭДС Холла. Но наибольшее применение генератор Холла получил в автомобильной промышленности – для измерения положения распределительного и коленчатого валов, в качестве бесконтактного электронного зажигания и в других целях. Датчик Холла полезен тем, что он считывает и предоставляет электронному блоку управления информацию, нужную для нормальной работы автомобиля.

Несомненные преимущества датчика Холла – его дешевизна, неприхотливость, долговечность и бесконтактность. Надёжность прибора обусловлена тем, что в нём отсутствуют физически взаимодействующие (трущиеся друг о друга) детали.

Что такое датчик Холла?

Датчик Холла (датчик положения) представляет собой датчик магнитного поля. Работа устройства основана на эффекте Холла. Данный эффект основан на следующем принципе: если поместить определенный проводник с постоянным током в магнитное поле, то в таком проводнике возникает поперечная разность потенциалов (напряжение Холла). Другими словами, устройство служит для измерения напряжённости магнитного поля. Сегодня датчик Холла может быть как аналоговым, так и цифровым.

Сфера применения датчиков Холла очень широка. Устройство используется в таких схемах, где требуется бесконтактное измерение силы тока. Что касается автомобилей, датчик Холла служит для измерения угла положения распределительного или коленчатого вала, а также нашел свое применение в системе зажигания, указывая на момент образования искры. 

Содержание статьи

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.

Рекомендуем также прочитать статью об устройстве топливного электробензонасоса, а также о механическом решении. Из этой статьи вы узнаете о назначении, конструктивных особенностях и принципах работы данных устройств.

Аналоговые и цифровые решения

Датчики на основе эффекта Холла фиксируют разницу потенциалов. Аналоговое решение, рассмотренное выше, основано на преобразовании индукции поля в напряжение с учетом полярности и силы поля.

Принцип работы цифрового датчика состоит в фиксации присутствия или отсутствие поля. В случае достижения индукцией определенного показателя датчик отмечает наличие поля. Если индукция не соответствует необходимому показателю, тогда цифровой датчик показывает отсутствие поля. Чувствительность датчика определяется его способностью фиксировать поле при той или иной индукции. 

Цифровой датчик Холла может быть биполярным и униполярным. В первом случае срабатывание и отключение устройства происходит посредством смены полярности. Во втором случае включение происходит при появлении поля, отключается датчик в результате того, что индукция снижается.

Самостоятельная проверка устройства

Активное использование данного устройства в автомобилях означает, что при появлении определенных неисправностей или сбоев в работе ДВС может возникнуть острая необходимость проверить датчик Холла своими руками.

Перед началом работ по отсоединению разъема кабеля, который подключен к устройству, следует обязательно выключать зажигание!

Игнорирование данного правила может вывести датчик Холла из строя. Необходимо добавить, что проверка устройства при помощи контрольной лампы также недопустима.

1. Одним из самых быстрых способов проверки является установка заведомо исправного подменного датчика на автомобиль. Если признаки неисправности после установки исчезают, тогда причина очевидна.
2. Вторым способом, который подойдет для проверки датчика в системе зажигания, является проверка наличия искры в момент включения зажигания. Дополнительно потребуется осуществить подсоединение концов провода к нужным выходам на коммутаторе.
3. Для максимально точной диагностики устройство лучше всего поверять при помощи осциллографа. Также в определенных условиях датчик проверяют при помощи мультиметра. Указанный мультиметр переводят в режим вольтметра, после чего подсоединяют к выходному контакту на датчике. Рабочий датчик Холла выдаст показания от 0.4 Вольт до 3-х. Если показания ниже минимального порога, тогда высока вероятность выхода датчика из строя.

Читайте также

Датчик Холла: принцип работы способы проверки

Приветствую вас друзья на сайте ремонт автомобилей ВАЗ своими руками. Многие из нас уже подзабыли курс физики и не помнят, что такое датчик Холла. Давайте восстанавливать пробелы в знаниях.

Датчик Холла

В чем его суть? К примеру, есть полупроводник, по которому течет электрический ток. Если поперек проводника воздействовать магнитным полем, то образуется другое поле – электрическое (это и есть ЭДС Холла).

Как правило, после воздействия магнитного поля величина напряжения возрастает на 0,5-3,0 Вольта.

Основные виды датчиков Холла

Сегодня можно выделить два основных вида датчиков Холла:

• Аналоговые.
• Цифровые.

1. Аналоговые. Их принцип работы заключается в преобразовании индукции поля в напряжение. При этом показания датчика Холла во многом зависит от двух основных параметров – силы поля и его полярности.

Важно учитывать, что существенное влияние на показатели имеет расстояние, на котором смонтировано устройство.

2. Цифровые. Такие устройства способны определять, есть воздействие поля или нет. При достижении индукцией определенного предела фиксирующее устройство выдает логическую «1», а если нет, то «0».

Недостаток таких датчиков заключается в том, что они имеют определенную зону нечувствительности, в которой не способны выполнять свои задачи.

К слову, цифровые ДХ могут быть двух видов – биполярными (контролируют изменение полярности поля), униполярными (срабатывают при появлении полярности, а отключаются при отсутствии или уменьшении индукции).

Как работает датчик Холла?

В чем же заключается принцип работы датчика холла? Здесь все просто. Большинство подобных устройств имеют щелевую конструкцию.

Представьте, что на одной стороне находится полупроводник, по которому течет электрический ток.

С другой стороны установлен магнит (постоянный). При протекании тока по этому проводнику под действием магнитного поля появляется определенная сила. Что дальше?

Если в область магнитного поля установить полупроводник, то на других частях пластины появится разность потенциалов.

Между магнитом и пластинкой есть небольшое расстояние, в котором установлен экран. Задача последнего – объединение линий силового поля. Достаточно убрать экран и разность потенциалов исчезнет.

Какой можно сделать вывод? Пока экран установлен, есть путь для замыкания силовых линий. Эта функция позволила использовать устройство в качестве датчика без привычных контактных групп.

Особенность устройства – в его длительном сроке эксплуатации (в сравнении с похожими по принципу действия приборами).

Особенности применения датчика

Давайте рассмотрим, для чего нужен датчик холла, и где можно использовать его возможности. На сегодня устройство весьма популярно и востребовано.

Датчик активно используется в машиностроении, авиации и, конечно, автомобильной электрике. Основные преимущества устройства – надежность и доступная цена.

Свои лучшие качества датчик Холла проявляется в автомобилях, где устройству приходится работать под действием высоких температур и повышенных вибраций.

При этом задача устройства – контроль положения наиболее ответственных элементов силового узла. Кроме этого, датчик активно применяется в качестве органа, контролирующего направление движения и скорость.

Особенности проверки датчика Холла

Неисправности датчика холла, конечно, бывают, но крайне редко. При этом хороший автолюбитель должен уметь своевременно диагностировать и устранять проблему.

Если проверка подтвердила выход датчика из строя, то лучший выход – его замена.

Но как убедиться, исправен ли датчик, или нуждается в срочной замене. Здесь все просто. Для работы необходим обычный мультиметр.

При его помощи можно проверить, как датчик детонации так и датчик включения вентилятора и различные другие датчики, так что этот прибор просто незаменим.

Если этого прибора у вас нет, можно спаять светодиодный тестер. Необходимо взять пару проводков, светодиод и одно сопротивление на 2 килоома. Дальше все просто.

К одной ножке светодиода припаивается сопротивление. Далее припаивайте провода – ко второй ножке светодиода и ко второму выводу резистора. Вот и все – самодельный тестер готов.

Сама диагностика предельно проста. При наличии мультиметра достаточно завести автомобиль и проверить уровень напряжения на датчике.

Если этот параметр меньше 0,5 В, то устройство неисправно. В случае применения самодельного тестера светодиод должен загореться. Если же этого не произошло, то можно говорить о поломке датчика.

Датчик Холла – это надежное, долговечное и дешевое устройство, которое еще долгие десятилетия будет приносить пользу. Удачи на дорогах и конечно же без поломок.

где находится устройство, проверка на неисправности мультиметром и замена своими руками

Датчик Холла или распредвала — это такое устройство, которое отвечает за образование искры для запуска двигателя. От его рабочего состояния зависит бесперебойное функционирование двигателя авто.

Содержание

Открытьполное содержание

[ Скрыть]

Для чего нужен датчик Хола в автомобиле?

Прибор используется вместо контактных элементов и может применяться для слежения за величиной тока нагрузки. Благодаря этому датчику выполняется деактивация двигателя при появлении токовых перегрузок в бортовой сети. Если контроллер перегревается, производится включение температурной защиты.

Принцип работы

Скачки напряжения в электросети мотора могут иметь последствия для датчика. Поэтому современные устройства дополнительно комплектуются диодными элементами, которые препятствуют обратной активации напряжения. Принцип действия приспособления основан на эффекте Холла. Поперечная разность потенциалов образуется при перемещении одного из проводников в магнитное поле. Данный эффект достигается благодаря тому, что токи проходят через клеммные элементы пластины, которая находится в самом поле, с полупроводником.

Когда работает двигатель и вал силового агрегата вращается, стальные лопасти ходят по специальным прорезям, установленным внутри корпуса. Это способствует подаче электрического сигнала на коммутаторное устройство. В результате узел открывает транзисторный элемент и подает напряжение на катушку. Последняя выполняет процедуру преобразования низковольтного импульса в высоковольтный. Этот сигнал подается на свечи зажигания.

Подробно о принципе действия контроллера Холла рассказал канал «Радиолюбитель TV».

Где находится и как выглядит?

При необходимости замены неисправного устройства потребителю надо знать, где стоит контроллер. Он располагается в трамблере автомобиля и выполнен в корпусе в виде небольшого цилиндрического элемента. Чтобы получить доступ к устройству, необходимо разобрать распределительный узел и снять крышку, бегунок и прочие детали механизма. На наружной стороне трамблера к контроллеру Холла подключается разъем с проводкой.

Устройство

Оптический регулятор положения распределительного вала устроен так:

• 1 — постоянное магнитное устройство;
• 2 — лопасть роторного механизма;
• 3 — магнитопроводы;
• 4 — пластиковый корпус, в который заключаются все элементы устройства;
• 5 — плата;
• 6 — контактные выводы.

Схема приспособления контроллера Холла

Устройство комплектуется тремя контактами:

• первый используется для подключения к массе, то есть кузову автомобиля;
• второй необходим для подсоединения плюсового напряжения, рабочий параметр которого составляет примерно 6 вольт;
• третий контакт предназначен для подачи с него импульса на коммутаторное устройство.

Какие могут быть неисправности?

Признаки неполадок контроллера Холла:

1. Наблюдается резкий рост потребления топлива в системе. Это обусловлено тем, что впрыск горючей смеси в силовом агрегате происходит больше одного раза за цикл прокручивания коленвала.
2. Мотор машины стал функционировать менее стабильно. Транспортное средство во время движения дергается, мощность двигателя может резко падать. Иногда не получается увеличить скорость машины более чем на 60 км/ч. Во время движения силовой агрегат может произвольно заглохнуть.
3. Иногда поломка датчика Холла становится причиной фиксации рычага трансмиссии. Скорости коробки передач переключить не получается, такая особенность характерна для новых иномарок. Чтобы решить проблему, необходимо перезапустить силовой агрегат.
4. Неисправность может проявиться в виде отсутствия искры для воспламенения горючей смеси. Из-за этого запуск мотора машины будет невозможен.
5. Вероятны сбои в функционировании системы самодиагностики. К примеру, на контрольном щитке появляется индикатор проверки мотора, если агрегат работает на холостом ходу. Когда обороты двигателя увеличиваются, ошибка с приборной панели пропадает.

Канал «Авто-Мото» рассказал о признаках неисправности регулятора, а также других элементов системы зажигания в автомобиле.

Если сам контроллер Холла целый и рабочий, то неисправность может быть связана с такими причинами:

1. На корпус устройства попала грязь или другие посторонние предметы.
2. Произошло повреждение либо обрыв сигнального кабеля, по которому подключен контроллер.
3. В колодку для соединения датчика Холла с бортовой сетью попала влага. Решить проблему можно путем просушки разъема.
4. Произошло замыкание сигнального проводника с кузовом или электросетью транспортного средства. Для определения неисправности необходимо прозвонить устройство.
5. Произошло повреждение экранирующей составляющей на жгуте с проводкой. Возможен обрыв отдельных кабелей.
6. Проблема может заключаться в повреждении проводников, предназначенных для питания контроллера Холла.
7. При подключении устройства была спутана полярность. Из-за этого датчик функционирует некорректно или вовсе не работает.
8. Неисправности в функционировании высоковольтной цепи системы зажигания.
9. Неполадки в функционировании управляющего модуля автомобиля.
10. При установке контроллера был неверно выставлен люфт между самим датчиком, а также магнитопроводящей пластиной.
11. Проблема может заключаться в повышенной амплитуде торцевого воздействия шестеренки распредвала. Требуется детальная диагностика схемы.

Дмитрий Мазницын в ролике рассказал о причинах неисправности регулятора и дал рекомендации по их устранению.

Проверка датчика

Есть несколько способов диагностики контроллера. Самый точный вариант, который позволит получить осциллограмму — воспользоваться специальным оборудованием. Осциллограф не только определит состояние контроллера, но и даст точно понять, что устройство скоро выйдет из строя. Такое оборудование есть не у каждого электрика, поэтому ниже рассмотрены более простые, но не менее эффективные варианты.

Диагностика мультиметром

Перед выполнением тестирования устройство надо настроить в режим измерения постоянного тока, рабочий диапазон должен составить 20 вольт. Также потребуется два металлических штыря. Перед проведением диагностики с разъема устройства демонтируется резиновый чехол.

Процедура предварительной проверки, позволяющей установить, что на контроллер Холла подаются необходимые сигналы, выполняется так:

1. С распределительного узла отключается основной бронепровод. Его необходимо соединить с массой автомобиля для предотвращения случайного появления разряда. Поскольку это приведет к запуску силового агрегата при диагностике.
2. Затем производится активация системы зажигания.
3. Разъем отключается от распределительного механизма.
4. На тестере выставляется режим постоянного тока с диапазоном 20 вольт.
5. Отрицательный контакт мультиметра подключается к кузову автомобиля, можно выбрать любое место. Положительный выход тестера будет использоваться для замера рабочего параметра напряжения.
6. Разъем, подключенный к распределительному узлу, оснащается тремя контактами — красным, зеленым и белым, но расцветка проводников может быть другой. На первом выходе величина напряжения должна составить 11,37 вольт либо около 12 В, на втором — тоже в районе этого показателя. А на последнем проводнике рабочий параметр должен составить 0 вольт.

Следующий этап диагностики:

1. Берутся два металлических штыря, можно использовать гвозди. Один из них устанавливается в средний контакт колодки (обычно зеленый цвет), а другой подключается к массе. Его расцветка, как правило, белая. Затем сам разъем подсоединяется обратно к распределительному устройству. Штыри используются в качестве проводников тока. На обратной стороне разъема открытых контактов нет, поэтому для проверки сами кабели придется оголить, а делать это не рекомендуется.
2. Затем зажигание активируется. Положительный контакт тестера надо подключить к штырю среднего выхода на разъеме, а отрицательный — к белому проводнику. Производится замер напряжения. Если контроллер Холла рабочий, то полученная величина должна составить около 11,2 вольт.
3. Затем надо прокрутить коленчатый вал силового агрегата и одновременно проверить показатели, которые выдает тестер. Если значения в ходе прокручивания снизятся до 0,02 вольт и затем увеличатся до 11,8 В, то это нормально. Так и должно быть в нижнем и верхнем пределе измерений. Можно отключать тестер.

Контроллер Холла считается рабочим, если при прокручивании коленчатого вала верхний предел измерений будет не ниже 9 вольт, а нижний — не выше 0,4 В.

Канал «Автоэлектрика ВЧ» подробно показал процедуру диагностики датчика с использованием тестера и рассказал об основных особенностях этого процесса.

Проверка сопротивления

Чтобы произвести диагностику этого параметра, потребуется простое устройство, состоящее из резисторного элемента на 1 кОм, диодной лампочки, а также гибких кабелей. К ножке источника освещения надо подключать резистор, для надежной фиксации используется пайка. К этой детали подсоединяются два проводника необходимой длины, важно, чтобы они были не короткими.

Принцип проверки выглядит так:

1. Производится демонтаж крышки распределительного механизма. От контактов отсоединяется сам трамблер, а также колодка с проводами.
2. Выполняется диагностика исправности электроцепи. Для этого тестер надо соединить с первой и третьей клеммами, а затем активировать зажигание. Если все проводники целые, то величина напряжения на дисплее мультиметра составит от 10 до 12 вольт.
3. Затем аналогичным образом выполняется подключение собранного прибора к тем же выходам. Когда полярность соблюдена, то диодная лампочка загорится, если нет — то кабели надо поменять местами.
4. Потом проводник, подключенный к первому выходу, остается нетронутым. А конец третьей клеммы переключается на вторую. Выполняется прокручивание распределительного вала. Это можно сделать руками либо с использованием стартерного механизма.
5. Если в процессе выполнения этих действия источник освещения стал моргать, то контроллер работает правильно и не нуждается в замене.

Канал Altevaa TV рассказал о способе проверки датчика с использованием обычной лампочки на примере автомобиля Фольксваген.

Создание имитации контроллера Холла

Такой вариант диагностики датчика Холла считается наиболее быстрым, но его реализация возможна при наличии питания в системе зажигания и отсутствия искры.

От распределительного механизма отключается трехконтактный разъем. Производится активация зажигания в машине и с помощью куска проводника замыкаются контакты под номерами 2 и 3, это выходы сигнала и пин. Если в результате подключения на центральном кабеле образовалась искра, это говорит о поломке контроллера Холла. При выполнении задачи высоковольтный проводник необходимо держать у массы авто.

Устранение неисправностей

Ремонт рассмотрен на примере автомобиля Фольксваген.

Для восстановления работоспособности датчик можно отремонтировать:

1. Для возобновления работы контроллера необходимо заменить логический компонент. Для этого заранее надо приобрести устройство S441А.
2. В центральной части корпуса датчика, как показано на фото, с помощью дрели просверливается небольшое отверстие. Для этого потребуется качественное сверло, поскольку внутри контроллера, за пластиковой частью, имеется металлический каркас.
3. Используя канцелярский нож, необходимо срезать каждый проводник. Затем прокладываются канавки от сделанного отверстия с помощью надфиля к остаткам кабелей.
4. Само измерительное устройство монтируется в окошко корпуса. Для диагностики используется магнит. Если приложить этот элемент к контактам, на которые заранее подключен прибор, состоящий из диодной лампочки и резистора. Такое устройство использовалось для диагностики. В результате проверки лампа должна загореться. Если этого не произошло, то надо проверить полярность.
5. Затем делается разводка выводов по канавкам корпуса. В самом окошке необходимо оставить проводники для соединительной колодки нового контроллера. Производится пайка элементов.
6. На завершающем этапе производится проверка выполненных действий. Для этого используется тестер. Визуально необходимо убедиться в целостности всех контактов. Если устройство рабочее, то механизм герметизируется с помощью клея или другого состава, но не пластика. Этот материал может деформироваться при работе в условиях повышенных температур.
7. Выполняется сборка контроллера, все действия осуществляются в обратной последовательности.

Как заменить датчик своими руками?

Чтобы поменять контроллер, надо действовать так:

1. От аккумулятора автомобиля отключаются клеммные зажимы.
2. Производится демонтаж распределительного механизма. От устройства отсоединяется колодка с проводниками, выкручиваются болты, фиксирующие узел.
3. Выполняется демонтаж крышки распределителя. В зависимости от модели трамблера она может фиксироваться на болтах или специальных зажимах. Элементы крепления выкручиваются и демонтируются.
4. После снятия важно совместить риску газораспределительного устройства с отметкой на коленвале силового агрегата. Также необходимо запомнить положение распределительного узла. Перед снятием рекомендуется сделать соответствующую метку.
5. Элементы крепления корпуса откручиваются с помощью гаечного ключа. Производится демонтаж фиксаторов, если они установлены на механизме.
6. Из распределительного узла извлекается вал.
7. От контроллера Холла отсоединяются зажимы с клеммами.
8. Выполняется демонтаж датчика из посадочного места. Для проведения задачи устройство надо потянуть на себя и аккуратно извлечь. Датчик демонтируется через появившееся отверстие.
9. Берется новый контроллер и устанавливается вместо старого. Процедура монтажа выполняется в обратной последовательности.

Видео «Последствия неправильной установки датчика Холла»

Пользователь Дядя Саша рассказал, к чему может привести неверный монтаж устройства и дал рекомендации по устранению такой проблемы.

как проверить датчик холла, как он работает и для чего нужен

Датчик Холла в разных сферах производства

Попробуем разобраться, для чего нужен этот датчик Холла в автомобильном производстве. На сегодня эти устройства являются основой системы зажигания, которое находится в каждом автомобиле. Благодаря этому механизму происходит полноценный контроль над изменениями тока. Если происходит проблема в эксплуатации данного механизма, то функциональность системы зажигания также терпит неполадки. Это несет за собой негативные последствия в остальных важных аспектах автомобильных механизмов.
Для чего нужен датчик Холла в автомобиле? Это неотъемлемая его часть, благодаря своему небольшому размеру и формату прямоугольного электрического сигнала, что дает способность набирать нужную константу без скачков, набрали широкую популярность в создании автомобиля. Также он помогает в повышении мощности силового агрегата, усиливает действие всех остальных автомобильных устройств, что защищает его от аварийных ситуаций и способствует длительной эксплуатации авто.

Проверить работоспособность устройства Холла возможно своими силами. Для этого есть несколько способов. Первый, это проверка специальным тестером цифрового формата. Благодаря этому способу возможно замерять напряжение в механизме. Если напряжение будет колебаться до 3 вольт, то его можно использовать далее. Если же предел превышен, то устройство необходимо ремонтировать. Второй способ проверки — это проверка с помощью аналогичного устройства, только совершенно нового. При этом необходимо сравнить показатели обоих механизмов. Если второй вызовет у вас нарекания, тогда необходимо применить детальную проверку первым способом.

Также рассмотрим, что собой представляет датчик Холла в телефоне. Для этой сферы датчик является микросхемой, которая на выходе создает необходимый информационный сигнал. При создании телефона, разработчики используют этот механизм для контроля сигнала, что отображает это как наличие единицы или нуля. Проверить это можно на примере магнитного чехла. Когда на смартфон надевают чехол на магнитной застежке, то при его открывании, смартфон должен отреагировать и загореться. При закрывании срабатывает обратная реакция. Такие команды телефону и задает именно датчик Холла и заставляет его работать.

Убедиться, что в вашем телефоне стоит такой датчик, можно лишь внимательно прочитав описание самого телефона. А также если на мобильном рынке продаж на ваш телефон существует огромный выбор умных чехлов, которыми он руководит, тогда можете не сомневаться в наличии данного устройства в вашем смартфоне.

На сегодняшний день существует две разновидности устройства:

• Цифровые
• Аналоговые

Цель аналогового датчика — это изменение и переработка индукции в напряжении. Величина, которую он показывает, зависит от установленной дистанции, а также силы и полярности поля. Цифровой механизм определяет наличие поля. Они делятся на биполярные и униполярные. Принцип работы биполярного датчика является реагирование на изменение полярности поля, где одна полярность включает устройство, другая же выключает. Работа униполярного устройства происходит при уменьшении индукции поля.

Как работает датчик Холла и как он устроен?

Проводя свои исследования, Холл установил: когда пластина в магнитном поле и под напряжением, в ней происходит отклонение электронов. Поток магнитных частиц движется перпендикулярно этому движению. Направление отклонения электронов напрямую зависит от полярности магнитного поля. Значит, на различных сторонах металлической пластинки плотность электронов будет разной.

Холл взял металлический прямоугольник и, расположив его в магнитном поле, подал ток на узкие грани проводника, а напряжение зафиксировал на широких гранях.

Технологии совершенствовались, и этот принцип лег в основу прибора, который сейчас принято называть по имени человека, открывшего это явление.

Схема работы датчика следующая:

• Сквозь пластины устройства проходит электричество.
• В магнитном поле образуется разница потенциалов. Затем она постепенно выравнивается с помощью постоянного магнита. Сила тока на выходе при этом может различаться.
• Когда на вход прибора поступает сигнал, формируется постоянный импульс, имеющий прямоугольную форму. Этот импульс видим только на осциллографе.

Есть аналоговые и цифровые измерители. Аналоговый трансформирует магнитную индуктивность в электричество. Сила тока находится в зависимости от величины магнитного поля.

Эту конструкцию не используют в новых машинах — она устарела. Индукция цифрового прибора достигается, только если значение магнитного поля переходится через определенный рубеж. Устройство не активируется при слишком слабом магнитном поле. В старых авто датчик применяли для подачи искры на свечи.

Устройство датчика Холла таково:

• магнитная основа;
• роторная лопатка;
• провод для прохождения магнитного потока;
• корпус из пластика;
• электронная микросхема;
• контактная система.

Всего в контроллере 3 контакта. Первый подводится к массе. Второй нужен для подключения напряжения, сила которого составляет 6 вольт. С третьего контакта происходит передача импульсов на коммутатор.

Основные сведения

Начнем с базовой информации: где находится датчик Холла, что это такое, для чего он нужен. «Голый» датчик — это небольшой измеритель (сенсор, обнаружитель), почти всегда черный (цвет зависит от предпочтений производителя), размером в несколько миллиметров. Автомобильные изделия имеют сравнительно большой пластиковый защитный короб, «фишку» с кабелем с разъемом подключения.

Сенсор фаз осуществляет мониторинг магнитных полей, их параметров (напряженности), при этом выдает заданные алгоритмы работы (смыкание контактов и пр.).

Рассматриваемым сенсорам присвоили наименование от фамилии ученого Холла, открывшего, что разность потенциалов (холловского напряжения) возникает, если в поле помещают объекты с постоянными токами.

Автомобильный сенсор тока находится в трамблере — узле для подключения свечей, он скрыт пластиковой фишкой с тремя проводами и разъемом под них. На иных приборах он может размещаться где угодно. Обычно на печатных платах — это крошечная черная коробочка стандартно на 3, реже — на 4 ножках. Линейные Hall sensor напоминают микросхему. Изделие также определяют по маркировке, обозначения есть в справочниках радиодеталей, (распространенные S41, 41F, U18, 3144, 44E, 49E).

При токовом течении в одном направлении электроны отклоняются в проводниках, размещенных перпендикулярно к полю. Участки их имеют неравномерную плотность частиц, это и есть разность потенциалов, фиксируемая датчиком Холла. Становится возможным анализ напряжения под прямым углом к току.

Есть также Hall effect sensor упрощенный как, например, в смартфонах: только с функцией подтверждения наличия магнитных явлений, напряженность не анализируется. На базе узла, включающего датчик и магнитомер, телефон снабжается опцией компаса.

Как функционирует

Принцип работы, использования датчика Холла:

• Электроны при прохождении тока движутся по сенсору прямолинейно.
• При воздействии поля частицы с зарядом отклоняются силой Лоренца по изогнутой траектории.
• Отрицательно заряженные элементы, они же электроны, притягиваются на 1 сторону Hall sensor, а плюсовые (дырки) — к иной.
• Описанное накопление по разным сегментам создает разное напряжение, это и есть разность потенциалов. Пропорциональность возникшего напряжения к электротоку и напряженности поля прямая. Эти окончательные явления и отслеживаются сенсором, принцип используется для определения положения подконтрольных им обслуживаемых объектов.

Где применяются

Датчики фаз начали устанавливаться в конструкции около 75 лет после их изобретения, когда появились доступные технологии создания полупроводниковых пленочных материалов.

Характерные области применение датчиков Холла:

• первая область, где началось использование — машиностроение, для замеров углов распредвалов, коленвалов, фиксации искрения на узлах зажигания;
• переключатели (бесконтактного типа), анализаторы уровня веществ, скорости вращения лопастей, приспособления дистанционного обнаружения токов;
• сканирование магнитных обозначений;
• как замена герконам (автоматические выключатели, смыкающие контакты посредством магнита). В этой сфере описываемые устройства наиболее распространенные из-за многочисленности приборов: микроэлектроника, техника от наушников до манипуляторов, клавиатур, в лифтах, охранном оснащении (двери, запорные элементы).

В смартфоне

Датчик холла в смартфоне применяются для таких целей:

• как часть компаса, магнитомера;
• для мониторинга закрытия/открытия чехла с магнитной защелкой отслеживанием ослабления/повышения поля;

Опишем, для чего нужен датчик холла в смартфоне на обложке. При отдалении магнита с обнаружителя идет импульс на активацию табло, когда ближе — на отключение. Разновидность таких чехлов — отдельный вид изделия, именуемый обычно Smart Case. Есть и дополнительные функции, принцип действия их такой: если применяется обложка без окошек около дисплея, то посредством обнаружителя отключается экран, когда он закрыт, при открытии — автоматическая активация. При наличии окошек инициируется переключение содержимого на табло. На видимой области — часы и пр., на всем дисплее — вся информация.

Не все смартфоны имею описанное усовершенствование, а также не всегда производители указывают его в перечне опций, поэтому нужно уточнять этот параметр. Но если в рекомендуемых аксессуарах есть отметка о таковых подходящих из категории Smart Case, то данная опция присутствует.

Магнитные датчики

Основное преимущество использования датчиков магнитного поля, заключается в их бесконтактной работе. Они бывают аналоговыми и дискретными. Первый тип считается классическим. В его основе лежит принцип, что чем сильнее будет магнитное поле, тем больше будет величина напряжения. В современных приборах и устройствах такой тип уже практически не используется из-за значительных размеров. Цифровой же датчик построен на режиме работы «ключ» и имеет два устойчивых положения. Если сила индукции недостаточна он не срабатывает.

Разделяются дискретные элементы Холла на два типа:

• униполярные — срабатывание которых зависит от полюса магнитного поля;
• биполярные — переключения состояния датчика происходит при изменении магнитного полюса;
• омниполярные — реагируют на действие магнитной индукции любого направления.

Конструктивно датчик представляет собой электронный прибор с тремя выводами. Он может выпускаться как в стандартном исполнении DIP, DFN или SOT, так и в герметичном: например, 1GT101DC (герметичный), A1391SEHLT-T (DNF6), SS39ET (SOT), 2SS52M (DIP).

Характеристики устройства

Выпускаемые датчики, использующие явление Холла, как и любые электронные радиокомпоненты характеризуются своими параметрами. Главным из них является тип прибора и напряжение питания. Но, кроме этого, выделяют следующие технические характеристики:

1. Величина измеряемой индукции. Измеряется она в гауссах или миллитеслах.
2. Чувствительность — определяется значением магнитного потока, на который реагирует датчик, единица измерения мВ/Гс или мВ/мТл.
3. Нулевое напряжение магнитного поля — значение разности потенциалов, соответствующее отсутствию магнитного поля.
4. Дрейф нуля — изменение напряжения, зависящее от температуры. Указывается в процентном отклонении от температуры 25 °C.
5. Дрейф чувствительности — изменение чувствительности, вызванное изменением температуры.
6. Полоса пропускания — уровень снижения чувствительности с шагом в 3 дБ.
7. Индукция включения и выключения — это значение напряжённости поля, при котором датчик устойчиво срабатывает.
8. Гистерезис — разность между индукциями включения и выключения;
9. Время срабатывания — характеризуется промежутком времени перехода из одного устойчивого состояния в другое.

Изготовление приборов

Материал, из которого выполняется элемент Холла, должен обладать большой подвижностью носителей зарядов. Для получения наибольшего значения напряжения вещество не должно иметь высокую электропроводностью. Поэтому при производстве устройств используется: селенид, теллурид ртути, антимонид индия. Тонкопленочные датчики получаются методом испарения вещества и осаждения его на подложку. В качестве её служит слюда или керамика.

Изготавливают датчики также из полупроводников — германия и кремния. Их легируют мышьяком или фосфорной сурьмой. Такие устройства обладают низкой зависимостью от изменения температуры, а величина образуемой на них ЭДС может достигать одного вольта.

Типовой процесс производства пластинчатого датчика Холла состоит из следующих операций:

• обрезка пластины нужного размера;
• шлифовка поверхности;
• формирование с помощью пайки либо сварки симметричных выводов;
• герметизация.

Одним из главных преимуществ датчиков, выполненных на этом эффекте, является электрическая изоляция (гальваническая развязка) делающие их применение удобным и безопасным.

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.

Свойства

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле с индукцией B{\displaystyle B} течёт электрический ток с плотностью j{\displaystyle j} под действием напряжённости E{\displaystyle E}. Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения вдоль или против электрического поля. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E1{\displaystyle E_{1}} не скомпенсирует силу Лоренца:

eE1=evB⇒E1=vB.{\displaystyle eE_{1}=evB\Rightarrow E_{1}=vB.} где e{\displaystyle e} — электрический заряд электрона.

Скорость электронов v{\displaystyle v} можно выразить через плотность тока j{\displaystyle j}:

j=nev⇒v=jne,{\displaystyle j=nev\Rightarrow v={\frac {j}{ne}},} где n{\displaystyle n} — концентрация носителей заряда. Тогда E1=1nejB.{\displaystyle E_{1}={\frac {1}{ne}}jB.}

Коэффициент RH=1ne{\displaystyle R_{H}={\frac {1}{ne}}} пропорциональности между E1{\displaystyle E_{1}} и jB{\displaystyle jB} называется коэффициентом

(или
константой
)
Холла
. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определить знак их заряда для большого числа металлов и полупроводников.

Несмотря на то, что носителями заряда в металлах являются электроны, имеющие отрицательный заряд, для некоторых металлов — например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам в достаточно сильном магнитном поле наблюдается положительный знак константы Холла RH{\displaystyle R_{H}}, что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

Виды датчиков

С развитием науки технология стала использоваться во многих устройствах. Этому способствовало и то, что всего существует несколько видов датчиков:

1. Цифровые. Предназначены для обнаружения магнитного поля. При достаточно высокой индукции, устройство срабатывает. Это определенная логическая команда, которая определяется как «один» такой сигнал означает – поле присутствует. При низкой чувствительности, слабом магнитном поле, или полном его отсутствии, срабатывает сигнал «ноль».
2. Униполярные. Особый вид, который включается и выключается одним и тем же магнитным полем. Включен прибор или же выключен, зависит от интенсивности магнитного поля.
3. Биполярные. Сложный тип датчика Холла. Его работа основана на взаимодействии с обоими полюсами. К примеру, он включается только южной стороной магнита. Если включение произошло, то этой стороной уже нельзя повлиять. Не поможет изменение плотности магнитных волн или расстояния меду магнитом и проводником. Чтобы отключить его, нужно развернуть магнит на противоположный полюс и эту сторону поднести к прибору.

Причины и диагностика поломки датчиков положения

Причиной поломки датчиков Холла могут стать:

• значительный перегрев электромотора – выше 150–180 °С;
• механические повреждения;
• скачки напряжения;
• попадание воды внутрь корпуса электродвигателя или ручки газа.

Явным признаком поломки датчиков Холла считается подергивание МК при старте во время поворота ручки газа. Для диагностики такой неисправности достаточно вольтметра. Также для проверки работоспособности мотор-колеса, контроллера или ручки газа удобно воспользоваться диагностирующим тестером. Он позволяет продиагностировать датчики положения и обмотки, выявить имеющиеся дефекты, проверить фазовый угол и корректность переключения фаз.

Область применения

Широкое распространение устройств Холла началось с массового производства полупроводниковых пленок. С развитием микроэлектроники приборы приняли миниатюрные размеры, в их корпусах стоит магнит, чувствительный элемент и микросхема. Используются они в машиностроении, авиации, в конструкциях серводвигателей.

В автомобиле прибор применяется для контроля положения различных узлов и механизмов, в том числе распредвала и коленвала. Он работает в качестве замыкателя и размыкателя. На стационарно закрепленный преобразователь влияет магнит, расположенный и вращающийся в трамблере.

Под влиянием магнитного поля прибор подает импульс, вызывающий искру зажигания. На фото можно видеть, как он расположен в трамблере.

Размещение прибора в трамблере.

Как большие электрические нагрузки можно контролировать с помощью датчиков Холла

Мы уже знаем, что выходная мощность датчика Холла очень мала (от 10 до 20 мА). Поэтому он не может напрямую контролировать большие электрические нагрузки. Тем не менее, мы можем контролировать большие электрические нагрузки с помощью датчиков Холла, добавив NPN-транзистор с открытым коллектором (сток тока) к выходу.

Транзистор NPN (приемник тока) функционирует в насыщенном состоянии в качестве переключателя приемника. Он замыкает выходной контакт заземлением, когда плотность потока превышает предварительно установленное значение «ВКЛ».

Выходной переключающий транзистор может быть в разных конфигурациях, таких как транзистор с открытым эмиттером, транзистор с открытым коллектором или оба. Вот так он обеспечивает двухтактный выход, который позволяет ему потреблять достаточный ток для непосредственного управления большими нагрузками.

Малопотребляющие датчики Холла от Honeywell

В ассортименте одного из старейших производителей датчиков Холла – компании Honeywell – также присутствуют две модели малопотребляющих датчиков положения, отличающихся лишь чувствительностью.

Структурная схема (рисунок 11), технические характеристики (таблица 3) и принцип работы микросхем SM351 и SM353 во многом аналогичны рассмотренным выше микросхемам DRV5032 производства компании Texas Instruments. Для уменьшения энергопотребления питание на аналоговые узлы подается только во время измерений, продолжительность которых составляет 15 мкс. Коммутация питания осуществляется с помощью транзисторного ключа, управляемого таймером, содержащим тактовый генератор, счетчик, дешифратор и другие необходимые компоненты. Средняя частота измерений напряженности магнитного поля равна 10 Гц. При напряжении питания 1,8 В такой режим работы при типовом значении тока в режиме измерений около 1 мА позволяет уменьшить средний ток микросхемы до уровня, не превышающего 0,4 мкА.

Рис. 11. Структурная схема датчиков SM351 и SM353

Микросхемы SM351 и SM353 нечувствительны к полярности внешнего магнитного поля и имеют двухтактные выходы, позволяющие подключать их к микроконтроллеру без использования внешних подтягивающих резисторов. Оба прибора выпускаются в компактных корпусах SOT-23 и могут работать в широком диапазоне питающих напряжений (1,65…5,5 В) и температур (-40…85°С), что позволяет использовать их в автомобильной и промышленной электронике совместно с большинством наиболее популярных микроконтроллеров.

Таблица 3. Технические характеристики датчиков Холла производства Honeywell при напряжении питания 1,8 В

Параметры	Наименование
	SM351	SM353
Тип выхода	Двухтактный
Напряжение питания, В	1,65…5,5
Длительность активного режима, тип., мкс	15
Рабочая температура, °С	-40…85
Корпус	SOT-23
Частота опроса, тип., Гц	10
Чувствительность, мТл	0,7	1,4
Максимальный ток в активном режиме, тип., мА	1	0,8
Средний потребляемый ток, мкА	0,36	0,31

В отличие от изделий Texas Instruments, датчикам Honeywell необходима другая ориентация магнитного поля. Для корректной работы внешние магниты должны быть ориентированы полюсами к торцевой поверхности микросхем (рисунок 12), в то время как для датчиков Texas Instruments такое расположение магнитов попадает в «слепую» зону.

Рис. 12. Ориентация магнитного поля для датчиков SM351 и SM353

Датчик Холла в системе зажигания

В современных бесконтактных системах зажигания вместо механического размыкателя применяют датчик Холла. Сам сенсор установлен на корпусе трамблера и имеет специальную прорезь, с одной стороны которой установлен постоянный магнит, с другой – микросхема с чувствительным элементом. На оси прерывателя закреплена металлическая коронка с прямоугольными зубцами и прорезями (в соответствии с количеством цилиндров двигателя). Сам принцип работы достаточно прост. При вращении ротора распределителя металлические зубцы коронки проходят через зазор датчика Холла.

В результате:

• Когда щель между постоянным магнитом и чипом свободна (это происходит в момент прохождения прорези вращающейся коронки через зазор датчика), на выходе сенсора напряжение отсутствует (либо оно минимально). ЭБУ «воспринимает» такой сигнал как логический ноль.
• И наоборот, когда металлическая пластина входит в зазор датчика и перекрывает магнитный поток, на выходе устройства появляется значительное напряжение, которое поступает на ЭБУ. Блок «включает» в работу высоковольтную катушку и в нужном цилиндре происходит воспламенение воздушно-топливной смеси.

Для информации! Существуют датчики (в зависимости от марки автомобиля и прошивки его «мозгов»), алгоритм работы которых выглядит с точностью «до наоборот» (по сравнению с вышеописанным).

Ремонт и замена своими руками

При повреждении элементов конструкции ремонт датчика невозможен. Владельцу автомобиля необходимо поменять деталь на оригинальный сенсор или найти по справочникам либо каталогам аналог. Алгоритм установки нового датчика зависит от конструктивных особенностей автомобиля. Для выполнения работ нужен набор слесарного инструмента (гаечные ключи и отвертки). Процедура занимает 10–20 минут.

Чтобы заменить неисправный датчик положения распределительного вала, необходимо (на примере Lada Priora с 16-клапанным мотором):

1. Найти точку установки сенсора по электрической схеме или жгуту проводки, подведенному к передней крышке двигателя рядом со шкивом коленчатого вала.
2. Снять колодку проводки и отвернуть 2 болта, а затем аккуратно вынуть датчик из посадочного гнезда.
3. Осмотреть изделие. Если на корпусе имеются следы механического воздействия, снять пластиковый кожух и проверить состояние газораспределительного механизма. В противном случае установить новый сенсор, завернуть крепежные болты и подключить сигнальный кабель. При монтаже убедиться в наличии резинового уплотнителя.

Ряд производителей автомобилей рекомендует проводить замену датчика Холла через 100–150 тыс. км пробега.

Подобные требования обусловлены жесткими условиями эксплуатации (узлы работают в условиях перепадов температуры и подвергаются вибрационным нагрузкам). Циклы нагрева и охлаждения негативно влияют на полупроводники и способны разрушить пластиковый корпус. Вода или конденсат проникает в трещины и ускоряет выход датчика из строя.

Чтобы заменить датчик, нужно найти точку установки сенсора.

Для замены датчика в трамблере следует:

1. Отстегнуть защелки и снять крышку.
2. Установить метки на шкиве коленчатого вала и газораспределительного механизма.
3. Отвернуть болты крепления и снять распределитель зажигания для дальнейшей разборки.
4. Демонтировать неисправный датчик и произвести осмотр и обслуживание элементов конструкции.
5. Установить новый сенсор и произвести сборку в обратной последовательности.
6. Проверить работоспособность двигателя и произвести регулировку зажигания (при необходимости).

Датчик Холла

Датчик дождя, датчик уровня жидкости, датчик температуры – он же термометр. Вроде бы все ясно: датчик дождя показывает наличие дождя, датчик уровня жидкости показывает, как ни странно, уровень жидкости; термометр – от греч. – тепло и измерять, показывает температуру. Но вот что за странное название: датчик Холла?

С чего все начиналось

Дело было еще в 19-ом веке. Американский физик Эдвин Холл обнаружил очень странную вещь… Он взял пластинку золота и стал пропускать через неё постоянный ток. На рисунке эту пластинку я отметил с гранями ABCD.

Так вот, когда он пропускал постоянный ток через грани D и B, поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и знаете что обнаружил? Разность потенциалов на гранях А и C! Или проще сказать, напряжение. Этот эффект и назвали в честь этого ученого.

Как только он сделали это открытие, вскоре стали делать радиоэлементы на этом эффекте. Чтобы не заморачиваться с названием, назвали в честь того, кто открыл этот эффект – в честь Холла. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, называют датчиками Холла.

Линейные датчики Холла

О чего же зависит напряжение на гранях А и С? В основном от магнитного поля, создаваемым либо постоянным магнитом, либо электромагнитом; толщиной пластинки, а также силой тока, протекающего через саму пластинку. Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого проводоа, например, токовые клещи

а также приборы, с помощью которых можно замерять напряженность магнитного поля. Датчики Холла, используемые в этих приборах называют линейными, так как напряжение на датчике Холла прямо пропорционально измеряемым параметрам магнитного поля.

Линейные датчики, как я уже сказал, могут быть использованы в токовых клещах. Они позволяют измерять силу тока, начиная от 250 мА и до нескольких тысяч Ампер.

Самым большим преимуществом в таких токовых клещах является отсутствие механического контакта с измеряемой цепью.

Иными словами, токовые измерители на эффекте Холла намного безопаснее, чем измерители на основе шунта и амперметра, особенно при большой силе тока в цепи, которую нередко можно встретить в промышленных установках.

Цифровые датчики Холла

Разработчики на этом не остановились. Как только наступила эра цифровой элек троники в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы. Выглядит все это примерно вот так:

В результате промышленность стала выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном такие датчики делятся на три вида:

Униполярные. Реагируют только на один магнитный полюс. На противоположный магнитный полюс не обращают никакого внимания. То есть подносим например южный полюс магнита, датчик сработал. На северный магнитный полюс ему наплевать.

Биполярные. Здесь уже интереснее. Подносим магнит одним полюсом – датчик сработал и продолжает работать даже тогда, когда мы убираем магнит от датчика. Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

Омниполярные. Этим датчикам по барабану на какой полюс включаться и выключаться. Пусть будет хоть южный или северный.

Как проверить работоспособность датчика Холла?

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

1. Имитируем наличие ДХ. Это наиболее простой способ, позволяющий быстро провести проверку. Но его эффективности может идти речь только в том случае, если не формируется искра при наличии питания на основных узлах системы. Для тестирования следует выполнить следующие действия:

• отключаем от трамблера трехпроводной штекер;
• запускаем систему зажигания и одновременно с этим «коротим» проводом массу и сигнал с датчика (контакты 3 и 2, соответственно). При наличии искры на катушке зажигания, можно констатировать, что датчик СБЗ потерял работоспособность и ему необходима замена.

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

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

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

Осциллограмма исправного датчика Холла СБЗ

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

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

Рис. 9. Светоиндикаторный тестер для проверки ДХ

Тестирование осуществляем по следующему алгоритму:

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

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.

Преимущества и недостатки

К преимуществам ДХ можно отнести:

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

Среди недостатков ДХ выделяют:

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

Главный недостаток ДХ – температурная нестабильность.

Виды устройств

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

• цифровые;
• аналоговые.

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.

Особенности малопотребляющих дискретных датчиков Холла

Различают линейные и дискретные датчики Холла (рисунок 1). Выходные сигналы линейных датчиков пропорциональны величине магнитной индукции. Основная сфера применения подобных устройств – измерители напряженности магнитного поля, датчики постоянных и переменных токов (рисунок 2), бесконтактные потенциометры, датчики угла поворота и прочие приложения, работающие с непрерывными сигналами. Кроме усилителя и схем температурной компенсации микросхемы, в зависимости от специализации, могут содержать множество других узлов, например, АЦП, компараторы тревожных сигналов для активизации центрального микроконтроллера, контроллеры популярных интерфейсов передачи данных, (USART, I2C, SPI и других), а также энергонезависимую память для хранения настроек.

Рис. 1. Структурные схемы датчиков Холла

Рис. 2. Датчик Холла для измерения тока

Когда абсолютное значение индукции магнитного поля не имеет значения, а важно определить лишь факт наличия или отсутствия магнитного поля – используют датчики Холла с дискретным выходом. В эти микросхемы обычно интегрируются один или несколько компараторов с гистерезисом, сравнивающих напряжение на выходе дифференциального усилителя с пороговыми уровнями. Областью применения дискретных датчиков Холла является широкий спектр автоматизированных приложений: датчики открытия дверей, частотомеры, синхронизаторы, автомобильные системы зажигания, контроллеры подвижных элементов (клапанов, задвижек, крышек и прочего), охранные системы, устройства управления электродвигателями и многие другие.

Классическим примером использования дискретных датчиков Холла являются электродвигатели, используемые в компьютерном оборудовании (рисунок 3). Размещенный на плате двигателя датчик Холла измеряет напряженность магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом ротора, формируя импульсный сигнал с логическими уровнями, частота которого пропорциональна частоте вращения, что позволяет оценить как исправность, так и производительность вентилятора.

Рис. 3. Датчик Холла в компьютерном вентиляторе

Относительно новой областью применения дискретных датчиков Холла являются устройства дистанционного мониторинга, в которых они постепенно вытесняют традиционно используемые в данных приложениях герметичные электромеханические контакты (герконы). Например, использование датчика Холла совместно с трехосевым акселерометром в беспроводном дверном датчике DMS-100, выпускаемом компанией Pandora (рисунок 4), позволяет распознать удар, поворот и состояние (открыто/закрыто) дверей, люков, крышек кофров, багажников, прицепов. Поскольку датчик DMS-100 использует беспроводной интерфейс передачи данных и питается от аккумулятора, его можно легко и быстро разместить в труднодоступных местах.

Рис. 4. Беспроводной датчик двери Pandora DMS-100

Основными преимуществами датчиков Холла по сравнению с герконами являются высокая надежность, компактность и повышенная чувствительность. Кроме этого, измерительный элемент может определять не только величину, но и полярность магнитного поля, в том числе – по нескольким координатам. Все эти преимущества позволяют позиционировать датчики Холла в качестве перспективной элементной базы.

В случае, когда непрерывный мониторинг объекта не требуется (например, для систем безопасности), энергопотребление датчика Холла может быть снижено за счет перевода в прерывистый режим работы. Например, при контроле двери или окна нет необходимости постоянно определять их состояние, достаточно это делать несколько раз в секунду, ведь скорость их перемещения относительно невелика. Благодаря тому, что измерительный элемент датчика Холла является практически безынерционным, а современная элементная база отличается высоким быстродействием, для проведения измерений уровня магнитного поля без ущерба для точности достаточно всего нескольких десятков микросекунд. Таким образом, если микросхема датчика большую часть времени будет находиться в спящем режиме, при котором потребляемый ток снижается до уровня нескольких микроампер, то среднее значение тока, потребляемого датчиком, может быть уменьшено на несколько порядков.

Например, пусть для проведения измерений достаточно 100 мкс и тока 5 мА. Если проводить измерения 10 раз в секунду с интервалом 100 мс, то при токе потребления в спящем режиме 5 мкА средний потребляемый ток Iср будет рассчитан по формуле 1 (рисунок 5): $$I_{ср}=\frac{T_{1}}{T}\times I_{1}+\frac{T_{2}}{T}\times I_{2},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где T1 = (t1 – 0) – продолжительность этапа измерения, T2 = (T – t1) – продолжительность спящего режима, то есть (0,1/100)∙5000 + (99,9/100)∙5 ≈ 10 мкА.

Рис. 5. Сравнение энергопотребления датчиков Холла при различных режимах работы (в условном масштабе)

Это в 500 раз меньше тока 5 мА, который бы потребляла микросхема, выполняя непрерывные измерения. Таким образом, использование прерывистого режима является эффективным средством уменьшения энергопотребления дискретных датчиков Холла без ущерба для их функциональности, что делает их идеальными для широкого круга компактных приложений с батарейным питанием.

Открытие эффекта Холла

Будущий физик Эдвин Герберт Холл родился в американском городе Горем в 1855 году. Получив начальное образование, он в 1875 году поступил в университет, где и ставил свои первые эксперименты. Так, изучая труды Максвелла об электричестве и магнетизме, Холл заинтересовался двумя фактами.

Первый заключался в том, что силы, возникающие в проводнике, расположенном поперечно линиям магнитной индукции, прикладываются непосредственно к веществу. Второй же сообщал, что значение этих сил зависит от скорости движения зарядов. В 1879 году вышла статья учёного Эдмунда Холла, доказывающая факт, что магнитное поле действует с одинаковым усилием как на подвешенный, так и зафиксированный объект.

Анализируя, какая сила может управлять движением заряженных частиц, он пришёл к выводу, что это может быть только напряжение. Для первого опыта физик использовал согнутую в спираль проволоку зажатую между диэлектриков. Эту конструкцию он поместил между двумя магнитами и запитал её от химического элемента тока. В качестве регистратора использовался мост Витстона с гальванометром Кельвина. В совокупности было проведено около тринадцати экспериментов и более четырёхсот измерений с разными условиями. Результатами экспериментов стало утверждение, что магнитный поток может изменять сопротивление материала.

По совету профессора Роуланда было выработано направление нового эксперимента, заключающее в следующем:

1. К проводящей пластине подводился электрический ток.
2. Гальванометр подключался к краям проводника.
3. Включался электромагнит так, чтобы линии напряжённости поля лежали перпендикулярно плоскости пластины.

Предполагалось обнаружить условия для изменения протекания тока. Но опыт не получался, пока в качестве пластины не попробовали использовать тонкий лист из золота. Поставленный новый опыт оказался удачным. Гальванометр чётко зафиксировал появившееся напряжение.

Но как только на пластину воздействует магнитное поле, линии индукции которой перпендикулярны направлению тока, заряд перераспределяется к краям, и возникает разность потенциалов. В этом и заключается эффект Холла, на базе которого были после построены одноимённые датчики.

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.

Внешний вид датчика Холла для СБЗ ВАЗ 2110

В автомобилях

На транспорт датчики Холла стали ставить с 70–80 годов прошлого столетия, когда начали внедрять электрозажигание вместо контактного. Принцип функционирования: вал мотора вращается с прохождением его крыльчатки по корпусным прорезям, что фиксирует обнаружитель, посылающий команду коммутатору, который и отпирает транзистор, подающий напряжение на элемент зажигания с обмоткой. Последний создает высокий вольтаж для свечи.

Конструкция

Коробочка, «фишка» с тремя контактами, три жилы и разъем подключения – это классическое устройство автомобильных Hall effect sensor. На разных моделях отличаются лишь мелочи. Такую конструкцию, учитывая нюансы обслуживаемых объектов, можно рассматривать как общий образец.

Датчик холла, устройство, схема:

• «масса» (автомобильный корпус), это «–» или рабочий ноль;
• «+», работающие исправные изделия имеют там около 6 В;
• контакт для транспортировки импульса коммутатору.

Есть такие достоинства датчиков тока для зажиганий электронного типа:

• нет постоянно подгорающего объемного контактного узла;
• на свече выше 30 кВ против 15 кВ, что намного лучше;
• сенсоры ставят на тормозные, антиблокировочные системы, тахометры, поэтому есть немаловажные дополнительные плюсы: повышается производительность ДВС, ускоряются и работают эффективнее все системы машины. Как следствие, возрастает удобство эксплуатации, безопасность.

Описание схемы сигнализации на датчике Холла

Ниже приводится принципиальная схема охранной сигнализации построенной с применением отечественного датчика Холла ДХК-0.5А.

Поскольку напряжение на выходе самого датчика не велико, то его следует повысить при помощи операционного усилителя с большим коэффициентом усиления. В качестве усилителя применен один из двух операционных усилителей LM358 (DA2.1), второй (DA2.2) использован в качестве компаратора.

Опорное напряжение, сформированное элементами VD2, R7, подается на вывод 5 DA2.2 усилителя LM358. Подстроечным резистором осуществляется регулировка чувствительности датчика охранной сигнализации. В момент приближения магнита к датчику Холла на выходе 7 ОУ DA2.2 появляется логический уровень равный 9 В, если же отвести магнит от датчика, то на том же выходе напряжение будет равно нулю.

Для формирования задержки срабатывания сигнализации в момент ее включения построен таймер на логических элементах DD1,1 и DD1,2 (И-НЕ)

. Параметры таймера устанавливаются путем подбора элементов C3, R2, R3, R5 и при указанных на схеме значениях время работы таймера составляет примерно 2 минуты. За это время конденсатор C3 заряжается через сопротивление R5 до уровня лог.1, в результате чего на выходе DD1.1 образуется лог.0 которая инвертируется в лог.1 элементом DD1.2.

При отсутствии магнита вблизи датчика холла, на выводе 9 элемента DD1.3 и следовательно на выходе 11 DD1.4 уровень логического нуля, система находится в режиме охраны.

При срабатывании охранной сигнализации (приближении магнита к датчику Холла) на выводе 7 DA2. 2 образуется высокий логический уровень, который приводит к появлению лог.1 на выходе 11 DD1.4. Диод VD4 не позволяет отключить срабатывание охранной сигнализации при удалении магнита от датчика Холла. Сигнал тревоги включается не сразу, а через определенный промежуток времени, который необходим для отключения сигнализации хозяином.

Данный временной интервал задержки задается элементами C4, R9 (при тех номиналах, которые указаны на схеме задержка составляет около 20 сек). Когда время задержки включения сигнала тревоги проходит, на затвор полевого транзистора поступает лог.1 , в результате чего через реле включается сирена, в качестве которой может выступать сирена от автомобильной сигнализации.

Поскольку ток потребления в режиме охраны небольшой, то питание охранной сигнализации осуществляется от любого аккумулятора с напряжением 12 вольт. Альтернативой датчика Холла ДХК-0.5А в данной схеме, может служить датчик KMZ10В фирмы Philips (возможно, потребуется настройка компаратора).

Дополнительная информация

При диагностике датчиков в автомобиле следует проверять сопряженные узлы. Например, причиной плохой работы зажигания может стать влага в контактах или надломленная жила в жгуте проводки. Некоторые владельцы сталкиваются со скрытыми дефектами в блоках управления (окислением или отгоранием дорожек на печатной плате). Чрезмерный износ шестерен привода распределителя может стать причиной периодических сбоев в системе зажигания.

При некорректной работе датчика на машинах с распределенным впрыском топлива в память контроллера записываются ошибки. После проведения ремонта возможно включение предупредительных ламп в комбинации приборов. Для сброса кодов необходимо отключить аккумулятор от бортовой сети на 5–7 минут. Если процедура не помогла, то стереть идентификаторы неисправностей можно при помощи диагностического сканера, подключенного к разъему OBD-II.

Искать на сайте

Это и есть генератор Холла.

Все очень просто. Следующим этапом нам потребуется аккуратно отпаять ножки элемента от тестовой схемы и подключить его к стандартным контактам разъема.

Включаешь зажигание.

В схему датчика входит источник питания, преобразующий однополярное напряжение питания в двухполярное питание схемы. Вытяните штифт пассатижами. В исправном устройстве напряжение будет изменяться от 0,4 В до 11 В. Благодаря простым приемам автомобилист сэкономит свое время на ремонт, а также исключит ненужную трату денег.

Импульсы же возникают благодаря тому, что прорези идут не через одинаковое расстояние, а через разное, то есть они чередуются. Замена датчика: инструкция для автомобилистов Для установки нового датчика зажигания нужно правильно вынуть тот, который вышел из строя. Резисторы R1, R2 задают выходной ток нашего импульсного датчика.

Отсоедините крышку трамблера. Третий провод используется для передачи сигнала, полярность которого изменяется относительно общего провода питания. Подключите вольтметр к выходу датчика. Потребует применения такого датчика контроль оборотов выходных валов редукторов, контроль направления вращения двух и более синхронизируемых механизмов, учет расхода жидкости.

Датчики магнитного поля. Датчики Холла в схемах на МК

Еще раз проверяем работу тестером и на этом работа по ремонту датчика Холла можно считать завершенным. Если же невозможно установить исправный датчик, можно воспользоваться несложным устройством, которое будет дублировать его работу. Но наибольшее применение генератор Холла получил в автомобильной промышленности — для измерения положения распределительного и коленчатого валов, в качестве бесконтактного электронного зажигания и в других целях. Первые приборы получались довольно громоздкими и не очень эргономичными.

Применение неодимовых магнитов самых сильных постоянных магнитов позволяет уместить на диске достаточное количество малогабаритных магнитов. Обычно замена датчика Холла состоит из нескольких этапов: Прежде всего, трамблер снимается с машины. Также не стоит исключать из вида и другие неисправности системы зажигания , встречающиеся в автомобилях. Новый датчик Холла устанавливается в обратной последовательности. Наиболее легким способом считается замена прибора на исправный. установка зажигания с датчиком холла на мотоцикле .БАШКИРИЯ СТЕРЛИТАМАК

Ремонт

В ремонте датчиков Холла смысла нет, так как затраты на это превысят его стоимость, которая в границах 3–5$.

Если ради интереса кто-то захочет заняться починкой, то это можно попробовать сделать для автомобильных изделий, но ремонт будет касаться не самой сердцевины сенсора, а «фишки» и кабеля: часто сгорает конденсатор, его и провода можно перепаять. Причина неисправности может крыться в закисших контактах, их зачищают.

Датчики Холла (магнитные)

Что заставляет это работать?
Слова, которые произведут впечатление на вашего начальника

	2Dex В РАЗРАБОТКЕ	InAs — стабильный	InAs — чувствительный	GaAs	5
Тонкопленочная технология с использованием структуры двумерного электронного газа (2DEG)	Объемный материал из арсенида индия, легированный для обеспечения высокой стабильности	Объемный материал арсенида индия, легированный для обеспечения высокой чувствительности	Тонкая пленка арсенида галлия
Температурный диапазон Преимущество датчиков Холла без кремния — возможность использования при более экстремальных температурах	от 1 K до 402 K (от -272 ° C до 125 ° C)	1.От 5 K до 375 K (от -271,5 ° C до 102 ° C)	от 208 K до 373 K (от -65 ° C до 100 ° C)	от 233 K до 402 K (от -40 ° C до 125 ° C)
Взаимозаменяемость Возможность работы с несколькими датчиками с идентичным приводом и измерительными установками	Хорошо — узкий диапазон значений чувствительности, отличная линейность и малое напряжение смещения	Плохое — диапазон чувствительности достаточно велик, чтобы требовать знания среднего значения чувствительности	Плохо — диапазон чувствительности достаточно велик, чтобы требовать знания средней чувствительности значение	Плохо — диапазон чувствительности достаточно велик, чтобы требовать знания среднего значения чувствительности
Прочность Способность выдерживать удары и вибрацию	Хорошо	Плохо	Плохо	Хорошо
Совместимость прибора Lake Shore Совместимость гауссметра / тесламетра для этих датчиков, что позволяет автоматически отображать значения поля прибором	Тесламетр F71 или F41 с датчиками plug-and-play — полный калибровка датчика и температурная компенсация, обеспечивающая точность, эквивалентную полному тесламетру зонда	425 или 475 гауссметра с использованием кабеля HMCBL; преобразование поля выполняется только с одним значением чувствительности, то есть линейность и температурная компенсация не выполняется гауссметром	425 или 475 гауссметром с использованием кабеля HMCBL; преобразование поля выполняется только с одним значением чувствительности, что означает, что линейность и температурная компенсация не выполняется гауссметром. в плоскости с чувствительным элементом	Нет, что делает эти датчики идеальными для измерения полей с неизвестной ориентацией.	Значительный — объемный материал производит достаточно плоского эффекта Холла, поэтому для точных измерений требуются поля с известными направлениями. что для точных измерений требуются поля с известными направлениями	Некоторые тонкопленочные элементы могут демонстрировать небольшую плоскую погрешность эффекта Холла
Чувствительность при номинальном токе Влияет на точность измерения и разрешение — чем больше число, тем лучше	Ожидаемое значение от 50 до 53 мВ / Т	5.От 5 до 11 мВ / T	от 55 до 125 мВ / T	от 110 до 280 мВ / T
Температурный коэффициент чувствительности Точность ударов при больших изменениях температуры	200 ppm / ° C ожидаемый	50 ppm / ° C	800 ppm / ° C	600 ppm / ° C
Номинальный ток привода Рекомендуемый уровень возбуждения для этих датчиков	1 мА	100 мА	100 мА	1 мА
Типичное входное сопротивление Полезно при выборе схемы возбуждения	800 Ом	2 Ом	2 Ом	750 Ом
Типичный температурный коэффициент входного сопротивления Дополнительный источник погрешности измерения при использовании источника напряжения (а не источника тока) для питания датчика	0.7% / ° C ожидаемое	0,15% / ° C	0,18% / ° C	0,2% / ° C
Лучшее напряжение смещения (полевой эквивалент) Компонент ошибки, имеющий большее влияние на небольших полях	Подлежит определению	± 50 мкВ (4,5 мТл)	± 75 мкВ (0,6 мТл)	± 2,8 мВ (10 мТл)

Что такое датчик эффекта Холла?

Датчик на эффекте Холла — это электронное устройство, предназначенное для обнаружения эффекта Холла и преобразования его результатов в электронные данные для включения и выключения цепи, измерения переменного магнитного поля или обработки с помощью встроенного компьютера. или отображается в интерфейсе.В 1879 году ученый Эдвин Холл обнаружил, что если магнит поместить перпендикулярно проводнику с постоянным потоком тока, электроны, протекающие внутри проводника, тянутся в одну сторону, создавая разность потенциалов в заряде (т. Е. Напряжении). Таким образом, эффект Холла указывает на наличие и величину магнитного поля вблизи проводника.

Используя магнитные поля, датчики на эффекте Холла используются для обнаружения таких переменных, как близость, скорость или смещение механической системы.Датчики на эффекте Холла являются бесконтактными, что означает, что они не должны контактировать с физическим элементом. Они могут генерировать цифровой (включенный и выключенный) или аналоговый (непрерывный) сигнал в зависимости от их конструкции и предполагаемой функции.

Переключатели и защелки на эффекте Холла включены или выключены. Переключатель на эффекте Холла включается при наличии магнитного поля и выключается при удалении магнита. Защелка на эффекте Холла включается (закрывается) при приложении положительного магнитного поля и остается включенной даже при удалении магнита.При наложении отрицательного магнитного поля защелка на эффекте Холла отключается (открывается) и остается выключенной даже после удаления магнита.

Линейные датчики Холла (аналоговые) обеспечивают точные и непрерывные измерения на основе напряженности магнитного поля; они не включаются и не выключаются. В датчике на эффекте Холла элемент Холла передает разность электрических потенциалов (напряжение, вызванное магнитными помехами) в усилитель, чтобы сделать изменение напряжения достаточно большим, чтобы оно было воспринято встроенной системой.

Датчики на эффекте Холла используются в сотовых телефонах и GPS, сборочных линиях, автомобилях, медицинских устройствах и многих устройствах IoT. Ожидается, что рынок датчиков на эффекте Холла будет расти более чем на 10% в год и к 2026 году достигнет 7,55 млрд долларов.

Введение Учебное пособие по схемам датчиков переключателей на эффекте Холла

Рис. 1

by Lewis Loflin

Датчики на эффекте Холла — это твердотельные магнитные датчики, которые используются либо в качестве магнитных переключателей, либо для измерения магнитных полей.Здесь меня интересуют три основных типа: переключатель на эффекте Холла, защелка на эффекте Холла и логометрический или аналоговый выходной датчик. Подробнее об общих принципах работы см. В моем видео на YouTube выше. Здесь я хочу проиллюстрировать различные электронные схемы, а также то, как подключать датчики и использовать их.

Переключатель на эффекте Холла включается при наличии южного магнитного поля на его лицевой стороне или северного магнитного поля на противоположной стороне. Он выключится, когда магнит будет удален.

Защелка на эффекте Холла работает как выключатель, но остается включенной после удаления магнита. Он выключится, если приложить к лицу северный полюс или отключить питание. Ниже у меня есть схема использования переключателя Холла для включения / выключения однополюсного переключателя.

Логометрический датчик на эффекте Холла выдает аналоговое напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля. Устройства, которые я буду использовать на отдельной странице, являются однополярными, и, как правило, без приложения магнитного поля выходное напряжение составляет половину напряжения питания.Напряжение будет увеличиваться с южным магнитным полюсом на лице или уменьшаться с северным магнитным полюсом на лице.

См. Использование ратиометрических датчиков на эффекте Холла

Здесь мы рассмотрим переключатели и защелки, которые начинаются как логометрические, а затем добавим компараторы, триггеры Шмитта и выходные транзисторы. Ниже приведен список спецификаций датчиков Холла, используемых в моем видео на YouTube.

На рисунке выше показаны типичные выводы датчиков Холла. Южный полюс магнита направлен в сторону «лица», включающего устройство.Северный полюс на лице не будет иметь никакого эффекта, если устройство не является защелкой, которую он выключит, если он уже включен.

Рассмотрим пятивольтовый переключатель Холла UGN3013T. Для срабатывания переключателя обычно требуется от 500 до 750 Гс. Но для того, чтобы отпустить или отключить, обычно требуется от 225 Гс до 110 Гс. Таким образом, у нас есть разумный диапазон 275, в котором нам нужно оставаться для надежной работы. Таким образом, очевидно, что даже небольшой железный магнит может работать хорошо или должен находиться очень близко к датчику.Обратите внимание, что это старая устаревшая деталь, которая у меня случайно оказалась. Новые устройства намного более чувствительны.

Рис. 2

На рисунке выше показана внутренняя блок-схема переключателя на эффекте Холла в данном случае UGN3013T. Он включает пластину Холла, усилитель, триггер Шмитта и транзисторный выход с открытым коллектором. Некоторые могут использовать МОП-транзистор с открытым стоком вместо биполярного транзистора.

Рис. 3

Ратиометрический датчик Холла с компаратором LM311 образует переключатель на эффекте Холла с выходом с открытым коллектором, образующий переключатель с регулируемой точкой срабатывания.Vcc составляет 5 вольт при использовании датчика, такого как UGN3502, и 12 вольт для TL174C. Его можно напрямую подключить к входному порту микроконтроллера или другой 5-вольтовой цифровой логике.

Рис. 4

Добавляя JK-триггер к нашему переключателю с эффектом Холла на рис. 3, мы формируем защелку с эффектом Холла. Состояния Q и QNOT «меняются» с каждым циклом включения-выключения на TP2.

Рис. 5

На Рис. 5 показано, как использовать переключатель Холла с выходом «открытый коллектор / сток» с триггером CD4027 JK для формирования схемы защелки.

На этом мы завершаем введение в датчики и схемы на эффекте Холла.

Веб-сайт Авторские права Льюис Лофлин, Все права защищены.
Если вы используете этот материал на другом сайте, пожалуйста, дайте обратную ссылку на мой сайт.

Переключатель на эффекте Холла | Основные сведения о переключателе с фиксацией

Основы ИС с фиксатором на эффекте Холла

Скачать PDF версию

Существует четыре основных категории ИС-устройств на эффекте Холла, которые обеспечивают цифровой выход: униполярные переключатели, биполярные переключатели, многополюсные переключатели и защелки.Переключатели с защелкой описаны в этом примечании по применению. Аналогичные примечания по применению униполярных переключателей, биполярных переключателей и омниполярных переключателей представлены на веб-сайте Allegro ™.

ИС датчика Холла с фиксацией, часто называемые «защелками», представляют собой переключатели Холла с цифровым выходом, которые фиксируют состояния выхода. Защелки похожи на биполярные переключатели, имеют положительный B _OP и отрицательный B _RP , но обеспечивают жесткий контроль над переключением. Защелки требуют для работы как положительного, так и отрицательного магнитного поля.Магнит, создающий магнитное поле южной полярности (положительное) достаточной силы (плотность магнитного потока), заставит устройство переключиться во включенное состояние. Когда устройство включается, оно фиксирует состояние и остается включенным, даже если магнитное поле удалено, до тех пор, пока не появится магнитное поле северной полярности (отрицательное) достаточной силы. Когда отображается отрицательное поле, устройство выключено. Он фиксирует измененное состояние и остается выключенным, даже если магнитное поле удалено, до тех пор, пока снова не появится достаточно сильное магнитное поле южной полярности (положительное).

Приложения для определения положения вращающегося вала показаны на рисунке 1. Несколько магнитов объединены в простую структуру, называемую «кольцевым магнитом», которая включает в себя чередующиеся зоны противоположной магнитной полярности. Корпус ИС, расположенный рядом с каждым кольцевым магнитом, представляет собой защелку Холла. Когда вал вращается, магнитные зоны перемещаются мимо устройства Холла. Устройство подвергается воздействию ближайшего магнитного поля и включается, когда южное поле противоположно, и выключается, когда северное поле противоположно.Обратите внимание, что лицевая сторона устройства обращена к кольцевому магниту.

Рис. 1. Применение двух фиксированных устройств с использованием кольцевых магнитов. Кольцевые магниты имеют чередующиеся зоны полярности N (север) и S (юг), которые вращаются мимо устройств Холла, заставляя их включаться и выключаться.

Термины магнитной точки переключения

Следующие термины используются для определения точек перехода или точек переключения работы переключателя Холла:

Рисунок 2.Эффект Холла относится к измеряемому напряжению, присутствующему при воздействии на приложенный ток перпендикулярного магнитного поля.

• B — символ плотности магнитного потока, свойства магнитного поля, используемого для определения точек переключения устройства Холла. Измеряется в гауссах (G) или теслах (T). Преобразование составляет 1 G = 0,1 мТл.

  B может иметь северную или южную полярность, поэтому полезно иметь в виду алгебраическое соглашение, согласно которому B указывается как отрицательное значение для магнитных полей северной полярности и как положительное значение для магнитных полей южной полярности.Это соглашение позволяет арифметически сравнивать значения северной и южной полярности, где относительная напряженность поля указывается абсолютным значением B, а знак указывает полярность поля. Например, поле — 100 Гс (север) и поле 100 Гс (юг) имеют эквивалентную напряженность, но противоположную полярность. Точно так же поле — 100 Гс сильнее, чем поле — 50 Гс.

• B _OP — Магнитная точка срабатывания; уровень усиливающегося магнитного поля, при котором включается прибор Холла.Результирующее состояние выхода устройства зависит от электронной конструкции отдельного устройства.
• B _RP — Магнитная точка срабатывания; уровень ослабляющего магнитного поля, при котором выключается устройство Холла (или для некоторых типов устройств Холла, уровень усиливающегося отрицательного поля при положительном B _OP ). Результирующее состояние выхода устройства зависит от электронной конструкции отдельного устройства.
• B _HYS — Магнитный гистерезис точки переключения.Передаточная функция устройства Холла разработана с таким смещением между точками переключения, чтобы отфильтровать небольшие колебания магнитного поля, которые могут возникнуть в результате механической вибрации или электромагнитного шума в приложении. B _HYS = | B _OP — B _RP |.

Обычная работа

Точки переключения ИС датчиков с фиксацией симметричны относительно уровня нейтрального поля, B = 0 G, как показано на рисунке 3. Точки переключения находятся при одинаковой напряженности поля, но с противоположной полярностью.Например, если точка срабатывания, B _OP , составляет 85 G (положительное значение, указывающее на южную полярность), точка срабатывания, B _RP , составляет -85 G (отрицательное значение, указывающее на северную полярность). Фиксация последнего состояния предотвращает переключение устройств при воздействии слабых полей.

Переключатель с фиксацией включается в сильном поле южной полярности, и результирующий выходной сигнал имеет низкий логический уровень (при напряжении насыщения выходного транзистора, V _{OUT (sat)} , обычно <200 мВ).Переключатель с фиксацией выключается в сильном поле северной полярности, и результирующий выходной сигнал имеет высокий логический уровень (до полного напряжения питания, V _CC ). Поскольку коммутируемое состояние зафиксировано, эти устройства не переключаются, пока магнитное поле находится в диапазоне гистерезиса точки переключения, между B _OP и B _RP . Поскольку точка 0 G должна быть пересечена, прежде чем произойдет переключение в любом направлении, диапазон гистерезиса относительно шире, чем для других типов переключателей Холла.

Рисунок 3. Выходные характеристики фиксирующего переключателя. Выход устройства переключается на низкий логический уровень при наличии сильного поля южной полярности и переключается на высокий логический уровень в сильном поле северной полярности. В слабом поле защелка не меняет состояние выхода.

Хотя устройство может включаться с плотностью магнитного потока на любом уровне, для целей объяснения рисунка 3 начните с крайнего левого угла, где магнитный поток (B на горизонтальной оси) менее положительный, чем B _RP или B _OP .Здесь устройство выключено, а выходное напряжение (V _OUT , по вертикальной оси) высокое.

Следуя стрелкам вправо, магнитное поле становится все более положительным. Когда поле более положительное, чем B _OP , устройство включается. Это приводит к изменению выходного напряжения на противоположное, низкое.

В то время как магнитное поле остается более положительным, чем у B _RP , устройство остается включенным, а выходное состояние остается неизменным.Это верно, даже если B становится немного менее положительным, чем B _OP , в пределах встроенной зоны гистерезиса переключения, B _HYS .

Следуя стрелкам влево, магнитное поле становится менее положительным, а затем более отрицательным. Когда магнитное поле снова упадет ниже B _RP , устройство выключится. Это заставляет вывод вернуться в исходное состояние.

Магниты

Можно использовать отдельные магниты для обеспечения двух противоположных магнитных полярностей, однако обычно более экономически выгодно использовать материал кольцевого или полосового магнита.Кольцевые и ленточные магниты намагничиваются чередующимися полюсами с заданным интервалом. Кольцевой магнит представляет собой узел в форме тороида или диска (см. Рисунок 1) с чередующимися полюсами, намагниченными в радиальном или осевом направлении. Полосовой магнит — это плоская полоса с чередующимися магнитными полюсами. Кольцевые магниты доступны из различных материалов, включая керамику, редкоземельные и гибкие материалы. В магнитных лентах почти всегда используются гибкие материалы, такие как связующее из нитрилового каучука, содержащее ориентированный феррит бария, или редкоземельные материалы с более высокой энергией.

Кольцевые магниты обычно указываются как имеющие несколько полюсов, в то время как полосковые магниты обычно указываются в количестве полюсов на дюйм. Четырехполюсный кольцевой магнит содержит два северных и два южных чередующихся полюса (N-S-N-S), в то время как полосовой магнит 11 полюсов на дюйм имеет чередующиеся полюса, разнесенные на 0,0909 дюйма. центры. Производители магнитов предлагают различные варианты расположения полюсов.

Подтягивающий резистор

Подтягивающий резистор должен быть подключен между плюсом питания и выходным контактом (см. Рисунок 4).Стандартные значения подтягивающих резисторов составляют от 1 до 10 кОм. Минимальное подтягивающее сопротивление зависит от максимального выходного тока микросхемы датчика (тока стока) и фактического напряжения питания. 20 мА — типичный максимальный выходной ток, и в этом случае минимальный подтягивающий ток составит V _CC / 0,020 A. В случаях, когда потребление тока является проблемой, подтягивающее сопротивление может составлять от 50 до 100. кОм. Внимание: при больших значениях подтягивания можно вызвать внешние токи утечки на землю, которые достаточно высоки, чтобы снизить выходное напряжение, даже когда устройство отключено от магнитного поля.Это не проблема устройства, а скорее утечка, которая возникает в проводниках между подтягивающим резистором и выходным контактом ИС датчика. В крайнем случае, это может привести к падению выходного напряжения ИС датчика до уровня, достаточного для того, чтобы препятствовать правильной работе внешней логики.

Рис. 4. Типовая схема применения.

Использование байпасных конденсаторов

Расположение байпасных конденсаторов см. На рисунке 4. Всего:

• Для конструкций без стабилизации измельчителя — рекомендуется значение 0.Конденсатор 01 мкФ следует разместить на выводах и выводах заземления, а также между выводами питания и заземления.
• Для схем со стабилизацией прерывателя — конденсатор 0,1 мкФ должен быть помещен между контактами питания и заземления, а конденсатор 0,01 мкФ рекомендуется между контактами выхода и заземления.

Состояние при включении

Защелка включается в допустимом состоянии только в том случае, если напряженность магнитного поля превышает B _OP или B _RP при подаче питания.Если напряженность магнитного поля находится в диапазоне гистерезиса, то есть между B _OP и B _RP , устройство может сначала перейти в состояние включения или выключения, а затем достичь правильного состояния при первом отклонении от точки переключения. Устройства могут быть спроектированы с логикой включения питания, которая отключает устройство до тех пор, пока не будет достигнута точка переключения.

Время включения

Время включения в некоторой степени зависит от конструкции устройства. Микросхемы цифровых выходных датчиков, такие как фиксирующее устройство, достигают стабильности при первоначальном включении в следующие моменты времени.

Тип устройства	Время включения
Нерубленые конструкции (например, семейство A1210)	<4 мкс
Стабилизированный измельчителем (например, семейство A1220)	<25 мкс

По сути, это означает, что до истечения этого времени после подачи питания выход устройства может быть не в правильном состоянии, но по истечении этого времени выход устройства гарантированно будет в правильном состоянии.

Рассеиваемая мощность

Общая рассеиваемая мощность складывается из двух факторов:

• Мощность, потребляемая микросхемой датчика, за исключением мощности, рассеиваемой на выходе. Это значение в _{V CC} раз больше тока питания. V _CC — напряжение питания устройства, а ток питания указан в паспорте. Например, при V _CC = 12 В и токе питания = 9 мА. Рассеиваемая мощность = 12 × 0,009 или 108 мВт.
• Мощность, потребляемая на выходном транзисторе.Это значение в _{В (on) (sat), в} раз превышающее выходной ток (устанавливается подтягивающим резистором). Если V _{(on) (sat)} составляет 0,4 В (наихудший случай), а выходной ток составляет 20 мА (часто наихудший случай), рассеиваемая мощность составляет 0,4 × 0,02 = 8 мВт. Как видите, из-за очень низкого напряжения насыщения мощность, рассеиваемая на выходе, не вызывает большого беспокойства.

Общая рассеиваемая мощность для этого примера составляет 108 + 8 = 116 мВт. Отнесите это число к таблице снижения номинальных характеристик в техническом описании рассматриваемого блока и проверьте, нужно ли снизить максимально допустимую рабочую температуру.

Часто задаваемые вопросы

Q: Как мне сориентировать магниты?

A: полюса магнита ориентированы на лицевую сторону устройства с логотипом. На фирменном лице вы найдете идентификационную маркировку устройства, например частичный номер детали или код даты.

Q: Можно ли поднести магнит к тыльной стороне устройства?

A: Да, однако имейте это в виду: если полюса магнита остаются ориентированными в одном направлении, то ориентация магнитного поля через устройство остается неизменной по сравнению с подходом с передней стороны (например, если южный полюс был ближе к устройству при подходе с передней стороны, то северный полюс был бы ближе к устройству при подходе с обратной стороны).Тогда северный полюс будет генерировать положительное поле относительно элемента Холла, а южный полюс будет генерировать отрицательное поле.

Q: Есть ли компромиссы при приближении к задней стороне устройства?

A: Да. Сигнал «чище» доступен при приближении с лицевой стороны упаковки, поскольку элемент Холла расположен ближе к лицевой стороне (фирменная грань упаковки), чем к тыльной стороне. Например, для корпуса «UA» чип с элементом Холла находится на 0,50 мм внутри фирменной поверхности корпуса, и поэтому составляет примерно 1.02 мм от тыльной стороны. (Расстояние от фирменной грани до элемента Холла называется «глубиной активной области».)

Вопрос: Может ли очень большое поле повредить устройство на эффекте Холла?

A: Нет. Очень большое поле не повредит устройство Allegro с эффектом Холла, и такое поле не добавит дополнительного гистерезиса (кроме расчетного гистерезиса).

Q: Зачем мне устройство, стабилизированное чоппером?

A: ИС датчиков, стабилизированных прерывателем, обеспечивают большую чувствительность с более жестко контролируемыми точками переключения, чем конструкции без прерывания.Это также может позволить более высокие рабочие температуры. В большинстве новых конструкций устройств используется рубленый элемент Холла.

Предлагаемые устройства

Стандартные защелки

Allegro перечислены в руководствах по выбору на веб-сайте компании в разделе «Защелки на эффекте Холла / биполярные переключатели».

Защелки с низким энергопотреблением перечислены в Переключатели / защелки Micropower.

Возможные приложения

• Определение скорости
• Угловой энкодер
• Считая оборотов
• Расходомер
• Коммутация бесщеточного двигателя
• Коммутация мотора люка / стеклоподъемника с защитой от защемления

Замечания по применению для связанных типов устройств

Ссылка: AN296067

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, — это в основном 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 Холла, чтобы лучше понять эту идею.

Рис. 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 страшного не происходит; электроны электрического тока проходят через нашу простую цепь. Мы собираемся поднести магнит к этому устройству.

Рис. 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. Полное 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 над некоторыми практическими применениями 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

Достаточно 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 одним распространенным применением датчиков Холла является 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.

Датчики | Бесплатный полнотекстовый | Всесторонний обзор интегрированных эффектов Холла в макро-, микро-, наномасштабах и квантовых устройствах

Переходя от теоретической физики к прикладной физике или от исследования явлений к конкретным приложениям устройств, кажется, что со временем идея использования и перемещения Эффект Холла от макро до микро и наномасштабов привлек внимание различных исследовательских инициатив.Несколько типов устройств, использующих эффект Холла, были тщательно изучены за последние шесть десятилетий. Вот почему, в дополнение к классическим учебникам [17], в основном опубликованным несколько десятилетий назад и в основном посвященным физике OHE, в начале двадцать первого века появилась серия новых книг, на этот раз посвященных физике QHE [18 , 19,20,21,22,23,24,25,26] и QSHE [27]. Имея в виду сложные попытки интегрировать явление эффекта Холла в устройства, схемы и комплекты разработки процессов (PDK), было подготовлено несколько хорошо структурированных книг [28,29,30], промышленных руководств [31] и обзорных статей [32]. были опубликованы на протяжении многих лет, включая теоретическое описание десятков интересных и возможных приложений.В 1990-х годах были выполнены частичные обзоры в конкретных областях, таких как исследование эффекта Холла и измерений магнитосопротивления в материалах и устройствах на основе GaAs [33]. Опять же, большинство этих важных анализов были опубликованы несколько десятилетий назад и были специализированными и ограничивались конкретными областями. Более того, некоторые из представленных устройств и систем в настоящее время устарели, поскольку в значительной степени заменены решениями цифровой электроники. Именно в этом контексте актуальный обзор, охватывающий все области и ориентированный на эру нанотехнологий, более чем необходим.Изучив предыдущие публикации, можно понять, насколько полезным может быть эффект Холла, когда он применяется в конкретных приложениях. В этих учебниках есть обширные списки специализированных устройств. Давайте посмотрим на два примера: В шестидесятые годы W. E. Bulman представил набор классических приложений и устройств в большом исследовании [34], причем в различных конфигурациях. Он разделил области применения на три части: измерение магнитных полей, управление магнитными полями и измерение мощности микроволнового излучения.В случае комбинированных зондов на эффекте Холла и дополнительных электромагнитов можно получить серию макроустройств. Среди прочего, можно найти изоляторы, гираторы, преобразователи, циркуляторы, фазовые детекторы, а также магнитометры и считывающие головки с магнитной ленты. Спустя несколько десятилетий, в 1990-х годах, компания Honeywell Corporate, которая все еще соответствовала макромасштабным размерам, представила специализированные устройства, применяемые для измерения параметров и приложений [31]. Среди прочего, как ключевой игрок в деятельности по зондированию, они представили датчики на основе эффекта Холла для измерения физических параметров, таких как скорость потока, сила тока, температура, давление, скорость, угол, количество оборотов в минуту (об / мин), положение, и т.п.Они предложили устройства для различных приложений, связанных с гражданской жизнью, такие как датчик офисной машины, датчики считывателя магнитных карт, датчики блокировки дверей и зажигания. Другие устройства были больше ориентированы на саму промышленность, такие как автомобильный датчик, датчик бесщеточного двигателя постоянного тока, датчик обнаружения поршня, датчики скорости, установленные на трансмиссии и т. Д. В течение многих лет занимаясь разработкой наноразмерных устройств, эти два примера укрепили меня в понимании того, как сегодня В эпоху нанотехнологий стало желательно разрабатывать устройства нанометрового уровня со встроенным эффектом Холла, как это было представлено на протяжении всего этого современного обзора.На рис. 2 представлена ​​схематическая диаграмма параллельного прогресса с разработкой устройств в макро-, микро- и наноразмерном диапазоне, изображенная на временной оси открытий, связанных с эффектом Холла.

Границы датчиков Холла на основе графена

Датчики Холла стали одними из наиболее часто используемых магнитных датчиков в последние десятилетия, выполняя жизненно важную функцию обеспечения магнитного ощущения, которое естественным образом отсутствует у людей. Различные электронные приложения развились из интегрированных в схемы датчиков Холла благодаря их низкой стоимости, простому линейному отклику магнитного поля, способности работать в широком диапазоне магнитных полей, высокой магнитной чувствительности и низкому электронному шуму, а также многим другим преимуществам.Недавние разработки в области производства и производительности графеновых устройств Холла обещают открыть сферу применения датчиков Холла не только за счет расширения горизонта текущих применений за счет повышения производительности, но и за счет продвижения электроники датчиков Холла в совершенно новые области. В этой обзорной статье мы описываем эволюцию от традиционного выбора материалов для устройств Холла к графеновым устройствам Холла и исследуем различные приложения, которые они позволяют. Это включает в себя краткое изложение выбора материалов и архитектур для современных микромасштабных датчиков Холла.Затем мы обратим наше внимание на представление графена и его замечательных физических свойств и исследуем, как это влияет на магнитную чувствительность и электронный шум датчиков Холла на основе графена. Мы резюмируем текущее состояние исследований графеновых зондов Холла, демонстрируя их рекордные характеристики. Основываясь на этом, мы исследуем различные новые области применения графеновых датчиков Холла, которые являются первопроходцами, такие как магнитное изображение и неразрушающий контроль. Наконец, мы рассмотрим недавние обнадеживающие результаты, показывающие, что у графеновых датчиков Холла есть много возможностей для улучшения, прежде чем обсуждать будущие перспективы масштабируемого производства промышленного уровня.