Для чего нужен датчик холла в автомобиле

Эффект Холла

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

Он пропускал постоянный ток через грани D и B. Потом поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и обнаружил напряжение на гранях А и C! Этот эффект и был назван в честь этого великого ученого. Основной физический принцип данного эффекта был основан на силе Лоренца. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, стали называть датчиками Холла.

Но здесь один маленький нюанс. Дело в том, что напряжение Холла даже при самой большой напряженности магнитного поля будет какие-то микровольты. Согласитесь, это очень мало. Поэтому, помимо самой пластинки в датчик Холла устанавливают усилители постоянного тока, логические схемы переключения, регулятор напряжения а также триггер Шмитта. В самом простом переключающем датчике Холла все это выглядит примерно вот так:

где

Supply Voltage – напряжение питания датчика

Ground – земля

Voltage Regulator – регулятор напряжения

А – операционный усилитель

Hall Sensor – собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch – выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Особенности датчика

Принцип работы

Датчик Холла в своей основе имеет эффект, описанный выше, но его применение отличается некоторыми нюансами. Внутри прибора происходит следующее: на полупроводник под электрическим напряжением оказывает воздействие магнитное поле, причём оно пересекает его поперёк. Результатом этого явления становится электродвижущая сила.

Внимание! При возникновении электродвижущей силы напряжение меняется в диапазоне от 0,4 до 3 В.

Чтобы лучше понять принцип работы датчика Холла рассмотрим конкретный пример. Во-первых, для создания вышеописанного эффекта нужна тонкая пластина, которая будет играть роль полупроводника. Во-вторых, необходим источник электрического тока. Без провода и постоянного магнита также обойтись не получится.

Ток необходимо пустить между двумя сторонам пластины. Причём стороны должны быть параллельны друг другу. Провода нужно закрепить с двух других сторон. Магнит должен располагаться неподалёку от полупроводника. Если всё это будет выполнено в точности, то возникнет эффект Холла. По факту описанная конструкция представляет собой генератор.

При необходимости можно сделать так, чтобы это устройство работало в импульсном режиме. Но для этого нужно между пластиной и магнитом установить экран. Конструкция экрана должна иметь щели.

Для чего нужен щелевой датчик Холла в автомобилях

Главной задачей датчика Холла является изменение напряжения на выходе при перемене состояния магнитного поля. Малейшая неисправность может привести инжектор в нерабочее состояние.

Эффект Холла помогает добиться коммутации между сигнальными контактами, отвечающими за скорость, позиционирование и передачу сигналов. Простейшим считается именно аналоговый датчик. Также существует цифровой аналог, который имеет более сложную конструкцию.

Аналоговый датчик Холла играет роль преобразователя, который должен коммутировать питание для системы зажигания. Тем не менее можно найти конструкции, которые используют целые группы датчиков. Но они находятся на определённом отдалении от магнитов.

В большинстве случаев датчик Холла идёт в комплекте с сердечником. Также к устройству примыкает постоянный магнит. Именно он оказывает необходимое влияние на полупроводниковый кристалл.

В тех автомобилях, в которых установлен цифровой датчик Холла возможно функционирование в двух режимах защиты. Первый активирует защитную схему, а второй отключает. Но такое устройство в большинстве случаев называется распределителем или переключателем. Хотя в основе лежит всё тот же эффект. Подобные аппараты устанавливают на свои машины такие компании, как:

  • Opel,
  • AUDI,
  • BYD Flyer,
  • Volkswagen Golf,
  • Suzuki,
  • Passat,
  • BMW.

Довольно часто датчик Холла можно увидеть во многих бытовых устройствах. К примеру, тяжело себе представить компьютерный привод без него. Также нельзя не вспомнить о системах наблюдения и целом ряде мотоциклов.

Внимание! Для повышения точности работы датчик Холла устанавливают в клавиатуры и джойстики.

Достоинства устройства и его применение

Датчик Холла обладает целым рядом преимуществ, которые делают его незаменимым в современном оборудовании:

  • Устройство позволяет увеличить производительность мотора.
  • Без него невозможна точная работа тахометра и спидометра,
  • Датчик повышает безопасность автомобиля.

Датчик Холла можно использовать по-разному. Но в большинстве случаев автомобильные конструкторы применяют его для контроля скорости. Точнее, он осуществляет мониторинг передаточных колёс и валов. Также он контролирует их скорость вращения. Это позволяет обеспечить быстрый запуск двигателя, работающего на основе принципа внутреннего сгорания.

Также датчик Холла может обеспечить запуск антиблокировочной тормозной системы, а это, в свою очередь, напрямую влияет на безопасность на дороге. О тахометре в таком случае и говорить не приходится.

Но возможно и другое применение. Отличным примером в данном контексте будут бесщёточные электрические двигатели, работающие благодаря действию постоянного тока. Благодаря датчику Холла в таких устройствах определяется место, где находится постоянный магнит.

Как видите, у датчика Холла может быть множество применений. Сфера использования напрямую зависит от решения производителя. Допустим, конструкцию с двумя расположенными друг напротив друга магнитами можно использовать для того, чтобы регулировать скорость работы дискового накопителя.

4Значения с аналогового каналадатчика Холла 49E

Теперь разберёмся, что же показывают аналоговые значения с датчика Холла.

Датчик выдаёт напряжение, которое изменяется в зависимости от величины магнитного поля. Вектор индукции магнитного поля измеряется в Гауссах (Гс, GS по-английски). Согласно техническому описанию на детектор Холла, пределы измерения датчика Холла 49E ±1500 Гс с линейным участком от −1200 до +1200 Гс., а чувствительность датчика примерно 2,9 мВ/Гс. Рассмотрим график зависимости напряжения на датчике Холла от величины магнитного поля:

График зависимости напряжения на датчике Холла от величины магнитного поля

Помните наш первый скетч? Показания, снятые с датчика, изменялись в районе 508..525 отчётов (левая шкала ординат на графике). Если перевести их в вольты, то это как раз около нуля шкалы отсчёта датчика, или 2,5 В (правая шкала). Если мы поднесём магнит одним полюсом к датчику Холла, показания будут меняться от нуля в одну сторону, если поднесём другим полюсом – в другую.

Таким образом, по показаниям аналогового канала датчика Холла можно судить о величине магнитного поля и о направлении магнитных силовых линий.

2Схема подключения модуля с датчиком Холла к Arduino

Модуль с датчиком Холла содержит следующие компоненты: подстроечный резистор, двухканальный компаратор, несколько согласующих резисторов, пару светодиодов и собственно, сам датчик Холла 49E.

Модуль с датчиком Холла 49E

Подстроечный резистор служит для настройки чувствительности датчика Холла. Первый светодиод сигнализирует о наличии напряжения питания на модуле, второй – о превышении магнитным полем установленного порога срабатывания.

Модуль с датчиком имеет 4 вывода. Назначение выводов приведено в таблице. В третьем столбце таблицы – соответствующий вывод платы Arduino, к которому будет подключаться модуль.

Вывод Назначение Вывод Arduino
G Земля. GND
+ Питание +2,3…10 В. 5V
AO Аналоговый выход – значение напряжённости магнитного поля. A0
DO Цифровой выход – индикатор превышения напряжённости магнитного поля заданного порога. 12

Вот как будет выглядеть модуль с датчиком Холла, подключённый к плате Arduino Nano:

Подключение модуля с датчиком Холла к Arduino Nano

Общая информация о датчике Холла

Во второй половине XIX в. Эдвин Холл проводил опыты с помещением металлических прямоугольных пластин, находящихся под постоянным напряжением, в магнитное поле. При прохождении потока и подаче питания в прямоугольном элементе возникала разность потенциалов, направленная под прямым углом к внешнему возмущающему воздействию.

Генерируемое напряжение оказывалось пропорционально интенсивности потока и силе пропускаемого тока. Эффект был назван по фамилии ученого, а впоследствии стал использоваться в датчиках Холла.

Принцип работы

В конструкцию датчика для машины входят постоянный магнит и микросхема с поддержкой эффекта Холла. Элементы установлены с воздушным зазором, в котором вращается металлический диск с выступами и впадинами. Поверхность обеспечивает периодическое экранирование потока. Сигнал от чипа подается на усилитель, а затем используется для работы системы зажигания или блока управления впрыском бензина.

Сферы применения

Изделия применяются для:

  • определения положения коленчатого и распредвалов;
  • фиксации вибрационных или ударных нагрузок;
  • расчета частоты вращения или угла поворота исполнительного привода в оборудовании (например, в бесколлекторных электродвигателях).

Изделия применяются для фиксации нагрузок.

Почему выходит из строя датчик Холла

Повреждение
сенсора может проявляться разными симптомами — даже профессионалу порой бывает
непросто определить точную причину. Вот какие признаки говорят о поломке
датчика:

  • мотор плохо заводится;
  • холостой ход с постоянными
    перебоями;
  • на высоких оборотах
    автомобиль дергается;
  • искра на свечах пропадает;
  • двигатель
    внезапно глохнет.

Главная
причина выхода этой детали из строя банальна — накопилась грязь. Как только это
происходит, ДХ сигнализирует моментально. С машиной начинают происходить «чудеса».
Однако винить этот прибор во всех бедах неправильно — нужна доскональная
проверка.

Исчезновение искры — главный симптом
неисправности ДХ.

Распространенная
причина неисправности — отсутствие контакта в проводке. Всего в приборе 3
контакта — соединяющий его с массой, с плюсом, с коммутатором. Один из
контактов мог окислиться, из-за чего и разорвалась электрическая цепь.

Наконец,
провод может просто оборваться или переломиться. Это происходит из-за того, что
вакуумный корректор зажигания смещает площадку, на которой размещен ДХ, сдвигая
угол зажигания. Во избежание такой напасти проводку нужно закрепить так, чтобы
она изгибалась петлей.

Если
высоковольтная проводка в машине изношена и пролегает рядом с проводами
сенсора, возможен пробой высокого напряжения. Часто пробои возникают при
влажной погоде, при заезде колесом в глубокую лужу.

Провода датчика должны быть удалены от остальной
проводки. А еще проводку нужно как можно чаще менять — хотя бы раз в 2 года.

Поломка
может возникнуть из-за перезарядки генератора аккумуляторной батареи — когда ДХ
испытал слишком сильную нагрузку и на входе коммутатора сгорела одна из
деталей.

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.

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

Конструкция датчиков Холла

В ходе эксплуатации отлично проявились традиционные полупроводниковые материалы – арсениды галлия и индия. Обычно сенсор Холла представляет небольшую пластинку, к противоположным граням которой подходят парные электроды. Питающие широкие и располагаются на протяжении стороны прямоугольника. Где снимается сигнал – простейшие точечные. В любой схеме отмечается общая точка (нулевой провод, нейтраль), сумма контактов равняется трём. Отрицательные линии объединяются.

Специалисты отмечают, что даже в отсутствии магнитного поля на электродах остаётся, как правило, небольшой сигнал. Это объясняется не влиянием нашей планеты, как подумают читатели. Потенциал вдоль боковой кромки пластинки распределяется неравномерно. И выявлять эквивалентные точки не всегда целесообразно. Проще тарировать сопрягаемую с датчиком электронику, либо ориентироваться на точечные импульсы, что часто делается на практике. Для коррекции часто применяются дифференциальные усилители (на выход выдаётся лишь изменение сигнала).

Особенности конструкции датчика

Толщина плёнки проводника обычно мала, едва достигает 10 мкм. Для нанесения на подложку используется способ литографии. Это позволяет создать датчики Холла с малой чувствительной площадью, что сильно и часто повышает точность измерений, ведь поверхность невелика. В приборах это используется для оценки положений деталей механизмов. Впрочем малогабаритные датчики обнаруживают сравнительно низкий отклик, измеряемый в величинах Вт/Тл (выдаваемая мощность полезного сигнала в зависимости от напряжения магнитного поля). Для серийных датчиков Холла параметр обычно укладывается в пределы от 0,03 до 1.

На практике это выглядит как генератор импульсов. Допустим, на валу двигателя стиральной машины стоит ряд магнитов, при обороте вырабатывается определённое количество пиков. В результате электронная начинка оценивает скорость вращения, угловое положение ротора, что используется, к примеру, в вентильных двигателях (с электронным переключением обмоток).

Сделаем отступление и объясним, почему малогабаритный датчик Холла отличается слабым откликом. Амплитуда вырабатываемых импульсов зависит от протекающего постоянного тока, а он не может быть велик, в противном случае плёнка проводника (обладающая достаточно большим сопротивлением) перегреется и сгорит. Поэтому допустимые значения (в амперах) составляют от 5 до 50 мА.

Неисправности ДХ или почему умирает датчик

Итак, почему же выходит из строя ДХ? Одной из распространенных причин выхода из строя до смешного банальна. Происходит это из-за пыли и грязи, скапливаемой на детали.

Что касается контактов датчика распредвала, то их 3. Один из проводов соединяется обязательно с минусом (масса), другой – с плюсом (клеммой + АКБ), и третий – непосредственно с коммутатором.

ДХ, если он неисправен, дает об этом знать мгновенно. Сигнализирует об неисправностях датчика в первую очередь сам мотор. Он запускается гораздо дольше обычного, резко меняется количество оборотов, ДВС работает рывками даже на режиме ХХ (холостое вращение вала).

Кстати, мотор также может самопроизвольно заглохнуть в самый неподходящий момент.

Однако взять и сразу поставить под сомнение ДХ, занявшись его заменой, тоже неправильно. Придется все проверить окончательно. Для этого есть масса испытанных способов.

Одним из железных симптомов неисправности ДХ принято считать исчезновение искры на всех свечах зажигания. В таких случаях даже самый неопытный работник сервиса указывает на ДХ. И это в 99 процентах оправдывается.

Однако есть и более конкретный способ проверки, основанный на применении имитатора. Это приспособление, копирующее работу датчика. Другими словами – такой же кусок провода с колодкой под провода и окончанием для входа свечи.

Еще несколько вариантов проверки:

  • берется исправный ДХ и устанавливается (мотор работает лучше – значит, дело было в датчике);
  • ДХ снимается с трамблера, к нему подключается мультиметр (диапазон измерений должен быть в пределах, равных аккумуляторному значению).

Существует немало способов, позволяющих проверять ДХ, и не снимая его.

Интересную версию проверки ДХ предлагают отечественные водители. Хотя, это возможно сделать только на моделях Ваз.

  1. Снимается одна из СЗ, кладется на мотор.
  2. Включается зажигание, проверяется ток на бабину (катушка).
  3. Отсоединяется главный бронепровод трамблера и подводится к основному тормозному цилиндру ГТЦ (он расположен между патрубками тормозов).

Далее выполняется следующее:

  • центральный контакт распределителя соединяется с минусовой клеммой АКБ отрезком какого-нибудь провода;
  • провод от трамблера подводится к ГТЦ.

Если проскакивает искра, значит, ДХ умирает или уже окончательно вышел из строя.

ДХ – это один из самый дешевых компонентов СЗ современного автомобиля. Стоит он примерно в районе 4-5 долларов. По этой причине есть смысл купить новый датчик и возить его всегда с собой, на всякий случай. Если в дороге умрет старый ДХ, замена его на новый не вызовет каких-либо сложностей, все под рукой.

Проверку, как и было написано выше, можно осуществить разными способами. Допустим, вы едете, и на дороге мотор стал вести себя странно. Обороты не набираются, автомобиль движется с рывками и т. д. Что делаем?

Все просто, при наличии второго, рабочего датчика:

  • снимается главный бронепровод;
  • в него вдевается рабочая свеча;
  • провод ставится в такое место, чтобы была заметна искра;
  • с трамблера снимается колодка с проводами;
  • в колодку вдевается новый ДХ;
  • включается зажигание;
  • берется острый нож, лезвие вдевается в прорезь ДХ и проводится по контакту.

Если искра бьет нормально, не исчезает, не появляется тоже рывками, как сама работа мотора, то никаких других проблем в системе зажигания нет. Остается только снять трамблер, и заменить умерший старый ДХ.

Замена ДХ своими руками – операция не слишком сложная, если разобраться в нюансах. Надо понимать, что алгоритм выполнения действий может отличаться, ведь трамблеры бывают разные.

Например, если умер датчик на автомобиле «восьмерка», на всех ему аналогичных моделях замена проводится следующим образом:

  • скидывается клемма с АКБ;
  • скидываются бронепровода с крышки трамблера;
  • шланг, идущий на ВК (вакуумный регулятор) снимается;
  • трамблер снимается со шплинтов (держат его на шплинтах гайки);
  • относительно положения коленвала выставляется указатель ГРСМ;
  • трамблер разбирается, снимается вал;
  • демонтируется сам ДХ.

Проводя все вышеописанные мероприятия, надо всегда помнить главное правило автоэлектрика – поиск неисправности проводится по цепочке от АКБ до бабины зажигания

Важно четко представлять последовательность своих действий, их последствия. Опытный автомобилист берет с собой в дорогу мультиметр всегда

Этим прибором легко проверить предохранители коммутатора, сам датчик холла, соединения, разъемы и многое другое.

  • Абсолютно легально (статья 12.2);
  • Скрывает от фото-видеофиксации;
  • Подходит для всех автомобилей;
  • Работает через разъем прикуривателя;
  • Не вызывает помех в радиоприемнике и сотовых телефонах.

Принцип работы датчика Холла

Датчик Холла – это устройство, которое фиксирует изменения в электромагнитном поле. Фактически – это выключатель, который срабатывает в моменты появления магнитного поля возле него и вся суть его работы в автомобиле сводиться к получению данных о положении коленвала и распредвалов для своевременной подачи топливовоздушной смеси в цилиндр и её воспламенения. Последствием выхода такого датчика из строя является полная остановка двигателя, поскольку система управления двигателем «не знает» в каких положениях находятся поршни и клапана, а это чревато серьёзными последствиями. В автомобилях Лада Веста принцип Холла используется в датчике фаз. Он располагается на шкиве впускного распредвала. В шкиве имеется прорезь, которая в момент прохождения мимо датчика меняет его потенциал до 0 вольт и передаёт эту информацию на блок управления двигателем. В этот момент поршень первого цилиндра находится в ВМТ в такте сжатия.