Датчик Холла: устройство, принцип работы, виды и области применения преобразователя

ВРемонт.su – ремонт фото видео аппаратуры, бытовой техники, обзор и анализ рынка сферы услуг

Home Радиотехника Эффект Холла, датчики Холла – принцип работы, типы и область применения

Эффект Холла, датчики Холла – принцип работы, типы и область применения

Эффект Холла появляется, когда заряженные частицы движутся в плоскости в присутствии магнитного поля. Поле действует на частицы силой Лоренца, которая отклоняет их в направлении, перпендикулярном движению. В результате появляется поперечная (относительно изначального направления движения) разность потенциалов, называемся холловским напряжением.

Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

Эдвин Герберт Холл (англ. Edwin Herbert Hall) родился 7 ноября 1855 в Горем, Камберленд, Мэн, США. Известен как: физик, первооткрыватель эффекта Холла. Научная сфера: физика. Место работы: Гарвардский университет (там же проводил свои исследования и написал много учебников и прикладных методических материалов); Альма-матер: Университет Джонса Хопкинса; Боудин-колледж. Научный руководитель: Роуланд, Генри. Умер 20 ноября 1938 в возврасте 83 года.

Во время проведения эксперимента в 1879 году Эдвин Холл выявил такой эффект, что если в магнитном поле находится пластина, на которую подается постоянное напряжение, тогда электроны в указанной пластине начинают отклоняться. Отклонение происходит перпендикулярно по отношению к тому направлению, которое имеет магнитный поток. Также направление отклонения зависит от полярности, которую имеет магнитное поле. В результате чего, электроны будут иметь разную плотность на разных сторонах пластины, создавая разные потенциалы. Обнаруженное явление получило название эффект Холла.

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

Таким образом, сила Лоренца приведет к накоплению положительного заряда возле одной грани бруска, и отрицательной — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E1 не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:

где n — концентрация носителей заряда. Тогда

Коэффициент пропорциональности между E1 и jB называется коэффициентом (константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. 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 сильных полях наблюдается положительный знак RH, что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твердого тела.

Эффект Холла можно наблюдать без внешнего постоянного магнитного поля, явление получило название – аномальный эффектом Холла. Квантовый эффект Холла наблюдается в сильных магнитных полях в плоском проводнике.
В случае отсутствия магнитного поля в немагнитных проводниках может наблюдаться отклонение носителей тока с противоположными направлениями спинов в разные стороны перпендикулярно электрическому полю. Это явление, получило название спиновый эффект Холла.

Устройства на основе эффекта Холла и области применения

Эффект Холла позволяет определить концентрацию и подвижность носителей заряда, а в некоторых случаях и тип носителей заряда (электроны или дырки) в металле или полупроводнике, что делает его хорошим методом для исследования свойств полупроводников.

На основе эффекта Холла работают датчики Холла — приборы, измеряющие напряженность магнитного поля.
Развитие технологий позволило создать на основе обнаруженного эффекта компактное устройство – датчик Холла. Главным преимуществом датчиков Холла выступает то, что частота срабатывания устройства совпадает с моментом измерения. Выходной сигнал от такого датчика всегда устойчивый, без всплесков и колебаний амплитуды.

Датчик Холла может быть как аналоговым, так и цифровым. В свою очередь цифровые, могу быть биполярные и униполярные.

Аналоговые датчики Холла – преобразуют индукцию поля в напряжение, величина показанная датчиком зависит от полярности поля и его силы. Цифровые биполярные – реагируют на смену полярности поля (например: север-юг постоянного магнита), то есть одна полярность – включает датчик, другая – выключает. Цифровые униполярные – срабатывают при наличии поля определенной полярности и отключаются при снижении индукции поля.

Применение датчиков Холла

Датчики Холла используется в таких схемах, где требуется бесконтактное измерение силы тока. Устройство, используемое для измерения силы тока в проводнике. Датчик Холла, в отличие от трансформатора тока, измеряет также и постоянный ток.

Устройство на основе эффекта Холла применяются в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли датчика положения ротора (ДПР), который реализует обратную связь по положению ротора и выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном двигателе постоянного тока (ДПТ). Широкое применение датчики нашли в сервоприводах (блоки вращающих видеоголовок, ведущие двигатели) ленторотяжных механизмах видеомагнитофонов видеокамер, ДАТ магнитофонах и др.

Также датчики Холла применяются:

  • в приводах дисководов и двигателях вентиляторов компьютерной техники;
  • в магнитометрах смартфонов в качестве физической основы работы электронного компаса;
  • в электроизмерительных приборах (токоизмерительные клещи, пробники тока) для бесконтактного измерения силы тока;
  • в приводах автоматической фокусировки объектива в качестве датчика точной фокусировки;
  • на основе эффекта Холла работают некоторые виды ионных реактивных двигателей.
  • Не обошли стороной датчики и электронику автомобилей. Что касается автоэлектроники, здесь датчики Холла применяются для измерения угла положения распределительного или коленчатого вала, а также в системе зажигания, указывая на момент образования искры. Датчик Холла в системе зажигания является аналоговым преобразователем, который непосредственно коммутирует питание.

Простой пример принципа действия схемы с датчиком Холла

В простейшем рассмотрении принципа работы схемы с датчиком Холла выглядит так:

Схема устройства состоит из: постоянного магнита; лопасти ротора; магнитопроводов; пластикового корпуса; электронной микросхемы; контактов.

Принцип работы устройства следующий: 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.

Подробно принцип работы датчиков Холла следует рассматривать в каждом конкретном случае, в зависимости от типа датчика и схемотехнического решения.
В интернет-журнале по автоэлектроники и бытовой радиотехники рассмотрено не мало схем с применением датчиков работающих на основе эффекта Холла с описанием принципа работы.

Датчики Холла. Виды и применения. Работа и подключения

Речь пойдет о датчике тока, принцип действия которого основан на эффекте Холла (Датчики Холла). Что это за эффект, и как такой датчик можно сделать в домашних условиях? Чтобы лучше понять эффект Холла нужно разобрать эксперимент физика, в честь которого был назван этот эффект.

Виды

  • Цифровые датчики . Работают на определение магнитного поля. Если индукция доходит до определенного предела, то датчик дает сигнал на присутствие магнитного поля. Если предел не достигнут, то сигнал равен нулю. Слабая индукция и малая чувствительность датчика не дает сигнал наличия поля. Недостатком такого типа датчика является то, что у него есть зона нечувствительности порогов. Цифровые датчики Холла делятся на униполярные и биполярные:

— Униполярные датчики Холла работают, если есть поле какой-либо полярности, выключаются при уменьшении индукции.
— Биполярные датчики Холла срабатывают на изменение полярности поля. При одной полярности датчик включается, а при другой – выключается.

  • Аналоговый вид датчиков Холла изменяет индукцию поля в разность потенциалов. Значение датчика зависит от полярности и его силы. Нужно учитывать, на каком расстоянии находится датчик.
Применение

Датчики Холла входят в состав многих приборов. Чаще они применяются в измерении напряженности поля магнитной индукции, в электродвигателях, в ионных двигателях ракет. Широкое распространение датчики Холла нашли в устройстве системы зажигания современных автомобилей.

Также они используются в бесконтактных выключателях, герконах, при измерении силы тока, уровня жидкости и других местах. Главное их преимущество – это воздействие без физического контакта.

Как проверить на автомобиле исправность датчика Холла

В быту с такой проблемой сталкиваются чаще всего автомобилисты. Наиболее простым способом является обыкновенная замена на исправный датчик. Если после замены система зажигания заработала, значит необходимо менять датчик.

Если нечем заменить проверяемый датчик, то собирают простое устройство, которое может имитировать работу датчика Холла. Берется кусок провода, и тройной разъем от распределителя зажигания. Эти предметы работают аналогично датчику.

Для контроля пользуются обычным мультиметром. Если датчик вышел из строя, то тестер покажет 0,4 вольта или меньше. Также проверяется работа датчика путем проверки искры при подключении зажигания. Перед этим соединяют концы провода к выходам коммутатора.

Если неисправность возникла не на автомобиле, а на другом оборудовании, то необходим тестер. Методика проверки будет зависеть от прибора, в котором установлен датчик.

Датчики Холла в смартфонах

Мобильные гаджеты имеют в составе много функциональных блоков. Среди них есть вспомогательные датчики, одним из которых является датчик Холла. В современных устройствах связи такие датчики являются измерительными элементами, с помощью которых определяют мощность магнитного поля, его изменения. Они называются в честь ученого Холла.

Для чего установлен датчик Холла в смартфоне

Этот сенсорный элемент имеет много возможностей. Одной из них является измерение магнитной индукции приборов, а также бесконтактное управление. В дорогих моделях смартфонов имеется магнитометр, работа которого основана на датчике Холла.

На многих мобильниках этот датчик не полностью реализован. В основном этот сенсор применяют для таких задач:
  • Цифровой компас. Применяется для программ навигации и повышения скорости позиционирования.
  • Оптимизация взаимодействия устройства с разными аксессуарами, магнитными чехлами.
  • Применение датчика в раскладных моделях телефонов, для включения и отключения экрана при движении крышки.

Пример работы магнитного датчика Холла в чехле и смартфона заключается в том, что при открывании и закрытии чехла автоматически происходит блокировка экрана. Датчик реагирует на движение магнита, на усиление магнитного поля.

Принцип действия

Понадобится пластина и элемент питания постоянного тока. Подключаем пластину к батарее. От плюса к минусу начинает протекать электрический ток, вызванный движением заряженных частиц. Из курса физики эти частицы, или по-другому электроны летят против движения тока. Теперь поднесем два магнита к пластине разными полюсами так, чтобы линии индукции проходили через ее сечение.

Возникает так называемая сила Лоренца, которая отклоняет летящие по пластине электроны в сторону. Из-за этого возникает разность потенциалов на краях пластины. Эта разность потенциалов, иначе говоря, напряжение будут меняться в зависимости от силы тока и магнитного поля. Такой эффект носит название человека, который его обнаружил в 1879 году. Им был Эдвин Холл.

На основе этого эффекта выпускается большое количество датчиков, позволяющих без физического разрыва провода измерять в нем как постоянный, так и переменный ток, поскольку при протекании тока в проводнике создается электромагнитное поле.

Читайте также:  Сенсорный выключатель света: особенности, критерии выбора, изготовление своими руками

Оно подобно тем магнитам, подносимым к пластине, изменяет выходное напряжение датчика Холла.

Но возникает проблема того, что это поле при протекании не сильно больших токов само по себе очень мало. Для того, чтобы его увеличить, будем использовать ферритовое кольцо, которое имеет особые магнитные свойства и позволит увеличить необходимое нам электромагнитное поле до уровня для обнаружения протекания тока в проводнике.

Сборка датчика тока на основе эффекта Холла

Попробуем сделать собственный датчик тока. Понадобится ферритовое кольцо и датчик Холла. Найти ферритовое кольцо не составляет особых проблем. Они есть в блоках питания компьютера или энергосберегающих ламп, а также продаются в радиомагазинах по цене от 10 до 100 рублей в зависимости от размера самого кольца. В нашем случае имеется кольцо диаметром 28 мм за 55 рублей.

Подойдут кольца различных диаметров вплоть до 10 мм. Чем больше кольцо, тем чувствительнее получится датчик тока. Что касается датчика Холла, то его можно заказать со всем известного сайта. Стоит он недорого. Либо можно найти в нерабочих вентиляторах, ноутбуках и прочих устройствах, где он может использоваться. Датчики Холла Аналоговые и цифровые (Дискретные).

Дискретные работают по принципу транзисторов, то есть, при превышении какого-либо уровня магнитного поля датчик срабатывает. Аналоговый вид меняет свое выходное напряжение в зависимости от величины проходящего через него магнитного поля. Нам понадобится аналоговый датчик Холла. Если вы хотите не только детектировать протекание тока по проводнику, но также знать приблизительную величину этого тока. В нашем случае это аналоговый датчик ОН49Е.

Схема подключения датчика

Схема подключения выглядит следующим образом.

Как видно из рисунка для детектирования магнитного поля, создаваемого током в проводнике, нам необходимо будет сделать зазор в ферритовом кольце и поместить туда датчик Холла. Тем самым появится возможность измерять величину этого электромагнитного поля. На основании полученных данных можно делать вывод о том, есть ли сейчас ток в проводнике, и какой он величины.

Чтобы получить более универсальный вариант этого датчика, мы распилили ферритовое кольцо пополам, что без тисков было сделать сложно. Это привело к поломке кольца. Как хорошо, что люди придумали клей, и это дело мы быстро исправили. Получив две половинки, мы убрали неровности наждачной бумагой. Затем на одну из сторон мы вырезали и приклеили плотный лист бумаги. На другую сторону сам датчик Холла. После этого мы приклеили обе половинки к большому крокодилу на 30 ампер.

В итоге получились токовые клещи, или более универсальный вариант датчика тока, который можно снять и присоединить к любому проводу без его разреза. Такие разделяемые датчики тока стоят около 1500 рублей, при заказе в Китае. Экономия получилась налицо.

Промышленное напряжение в сети переменного тока изменяется с частотой 50 герц. То есть, направление тока, текущего по проводнику, будет меняться 50 раз в секунду. Электромагнитное поле также вслед за током будет менять свое направление 50 раз в секунду.

Применение датчиков Холла

В 1879 году, работая над своей докторской диссертацией в университете Джонса Хопкинса, американский физик Эдвин Герберт Холл проводил эксперимент с золотой пластинкой. Он пропускал по пластинке ток, разместив саму пластинку на стекле, причем дополнительно пластинка была подвергнута действию магнитного поля, направленного перпендикулярно ее плоскости, и, соответственно, перпендикулярно току.

Справедливости ради следует отметить, что Холл занимался в тот момент решением вопроса о том, зависит ли сопротивление катушки, по которой течет ток, от наличия рядом с ней постоянного магнита, и в рамках этой работы ученым были проведены тысячи опытов. В результате же эксперимента с золотой пластинкой было обнаружено возникновение некоторой разности потенциалов на боковых краях пластинки.

Это напряжение получило название напряжения Холла . Можно грубо описать процесс следующим образом: сила Лоренца приводит к накоплению отрицательного заряда возле одного края пластинки, и положительного — возле противоположного края. Отношение же возникающего напряжения Холла к величине продольного тока, является характеристикой материала, из которого изготовлен конкретный элемент Холла, и эта величина получила название «холловское сопротивление».

Эффект Холла служит достаточно верным методом определения типа носителей заряда (дырочный или электронный) в полупроводнике или металле.

На основе эффекта Холла теперь изготавливают датчики Холла , приборы для измерения напряженности магнитного поля и определения силы тока в проводнике. В отличие от трансформаторов тока, датчики Холла дают возможность измерять и постоянный ток. Таким образом, области применения датчика Холла в целом весьма обширны.

Так как напряжение Холла мало, вполне логично, что к выводам напряжения Холла подключают операционный усилитель. Для подключения к цифровым узлам, схему дополняют триггером Шмита, и получается пороговое устройство, которое срабатывает при заданном уровне напряженности магнитного поля. Такие схемы называют переключателями Холла.

Часто датчик Холла используется в паре с постоянным магнитом, и срабатывание происходит при приближении постоянного магнита к датчику на определенное, заданное заранее расстояние.

Довольно широко распространены датчики Холла в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах), где датчики устанавливаются прямо на статоре двигателя и играют роль датчика положения ротора (ДПР), который обеспечивает обратную связь по положению ротора, примерно как коллектор в коллекторном двигателе постоянного тока.

Закрепив постоянный магнит на валу, получим простой счетчик оборотов, а иногда достаточно экранирующего воздействия самой ферромагнитной детали на магнитный поток от постоянного магнита. Магнитный поток, от которого обычно срабатывают датчики Холла, составляет 100-200 Гауссов.

Выпускаемые современной электронной промышленностью, трехвыводные датчики Холла имеют в своем корпусе n-p-n транзистор с открытым коллектором. Зачастую ток через транзистор такого датчика не должен превышать 20 мА, поэтому для подключения мощной нагрузки необходимо устанавливать усилитель тока.

Магнитное поле проводника с током, обычно, недостаточно интенсивное для срабатывания датчика Холла, поскольку чувствительность таких датчиков составляет 1-5 мВ/Гс, и поэтому для измерения слабых токов проводник с током навивают на тороидальный сердечник с зазором, а в зазор уже устанавливают датчик Холла. Так при зазоре в 1,5 мм магнитная индукция составит уже 6 Гс/А.

Для измерения токов более 25 А, проводник с током пропускают прямо через тороидальный сердечник. Материалом сердечника может служить альсифер или феррит, если измеряется ток высокой частоты.

На основе эффекта Холла работают некоторые ионные реактивные двигатели, и работают весьма эффективно.

На базе эффекта Холла работают электронные компасы в современных смартфонах.

Датчики Холла: принцип работы, типы, применение, как проверить

Электромагнитное устройство, именуемое датчиком Холла (далее ДХ), применяется во многих приборах и механизмах. Но наибольшее применение ему нашлось в автомобилестроении. Практически во всех моделях отечественного автопрома (ВАЗ 2106, 2107, 2108 и т.д.) бесконтактная система зажигания для бензинового двигателя управляется этим датчиком. Соответственно, при его выходе из строя возникают серьезные проблемы с работой двигателя. Чтобы не ошибиться при диагностике, необходимо понимать принцип работы датчика, знать его конструкцию и методы тестирования.

Кратко о принципе работы

В основу принципа действия датчика зажигания положен эффект Холла, получивший свое название в честь американского физика, открывшего это явление в 1879 году. Подав постоянное напряжение на края прямоугольной пластины (А и В на рис. 1) и поместив ее в магнитное поле, Эдвин Холл обнаружил разность потенциалов на двух других краях (С и D).

Рис .1. Демонстрация эффекта Холла

В соответствии с законами электродинамики, сила Лоренца воздействует на носители заряда, что и приводит к разности потенциалов. Величина напряжения Uхолла довольно мала, в пределах от 10 мкВ до 100 мВ, она зависит как от силы тока, так и напряженности электромагнитного поля.

До середины прошлого века открытие не находило серьезного технического применения, пока не было налажено производство полупроводниковых элементов на основе кремния, сверхчистого германия, арсенида индия и т.д., обладающих необходимыми свойствами. Это открыло возможности для производства малогабаритных датчиков, позволяющих измерять как напряженность поля, так и силу тока, идущего по проводнику.

Типы и сфера применения

Несмотря на разнообразие элементов, применяющих эффект Холла, условно их можно разделить на два вида:

  • Аналоговые, использующие принцип преобразования магнитной индукции в напряжение. То есть, полярность, и величина напряжения напрямую зависят от характеристик магнитного поля. На текущий момент этот тип приборов, в основном, применяется в измерительной технике (например, в качестве, датчиков тока, вибрации, угла поворота). Датчики тока, использующие эффект Холла, могут измерять как переменный, так и постоянный ток
  • Цифровые. В отличие от предыдущего типа датчик имеет всего два устойчивых положения, сигнализирующих о наличии или отсутствии магнитного поля. То есть, срабатывание происходит в том случае, когда интенсивность магнитного поля достигла определенной величины. Именно этот тип устройств применяется в автомобильной технике в качестве датчика скорости, фазы, положения распределительного, а также коленчатого вала и т.д.

Следует отметить, что цифровой тип включает в себя следующие подвиды:

  • униполярный – срабатывание происходит при определенной силе поля, и после ее снижения датчик переходит в изначальное состояние;
  • биполярный – данный тип реагирует на полярность магнитного поля, то есть один полюс производит включение прибора, а противоположный – выключение.

Внешний вид цифрового датчика Холла

Как правило, большинство датчиков представляет собой компонент с тремя выводами, на два из которых подается двух- или однополярное питание, а третий является сигнальным.

Пример использования аналогового элемента

Рассмотрим в качестве примера конструкцию датчика тока ы основе работы которого используется эффект Холла.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

  • А – проводник.
  • В – незамкнутое магнитопроводное кольцо.
  • С – аналоговый датчик Холла.
  • D – усилитель сигнала.

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение UДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Разобравшись с принципом действия элемента Холла, рассмотрим, как используется данный датчик в системе бесконтактного зажигания линейки автомобилей ВАЗ. Для этого обратимся к рисунку 5.

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

  • А – датчик.
  • B – магнит.
  • С – пластина из магнитопроводящего материала (количество выступов соответствует числу цилиндров).

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

  • При вращении вала прерывателя-распределителя (движущемуся синхронно коленвалу) один из выступов магнитопроводящей пластины занимает позицию между датчиком и магнитом.
  • В результате этого действия изменяется напряженность магнитного поля, что вызывает срабатывание ДХ. Он посылает электрический импульс коммутатору, управляющему катушкой зажигания.
  • В Катушке генерируется напряжение, необходимое для формирования искры.

Казалось бы, ничего сложного, но искра должна появиться именно в определенный момент. Если она сформируется раньше или позже, это вызовет сбой в работе двигателя, вплоть до его полной остановки.

Читайте также:  Розетка двойная с заземлением: установка и подключение внутренних и наружных моделей

Внешний вид датчика Холла для СБЗ ВАЗ 2110

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

  • Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
  • Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
  • Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
  • Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
  • В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

Совсем не обязательно, что перечисленные факторы вызваны выходом из строя ДП. Высока вероятность того, неисправность вызвана другими причинами, а именно:

  • попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
  • произошел обрыв сигнального провода;
  • в разъем ДП попала вода;
  • сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
  • порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
  • повреждение проводов, подающих питание к ДП;
  • перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
  • проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
  • проблемы с блоком управления;
  • неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
  • возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Как проверить работоспособность датчика Холла?

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

  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.

Что такое датчик Холла и где он используется

Принцип действия и типы

Использование сенсоров в различных устройствах (в планшете, в частности) объясняется их способностью реагировать на изменения поля и отключаться при закрытии магнитной крышки чехла. Благодаря этому свойству они устанавливаются и в стиральных машинах, позволяя контролировать скорость вращения барабана. Если выразиться простым языком – здесь датчик Холла используется как тахометр.

Историческая справка

Чтобы понять принцип работы этого элемента, потребуется небольшой экскурс в историю. В 1879 году американский физик Холл открыл интересное явление, связанное с поведением проводника с током в магнитном поле. Проверка показала, что если через помещенную между магнитами медную пластину пропускать ток, то на ее боковых гранях появляется разность потенциалов. Возникает закономерный вопрос: как проверить это напряжение в домашних условиях?

Оказалось, что на практике его можно измерить мультиметром или любым другим прибором, имеющим соответствующие пределы. То же самое можно сделать любым подходящим тестером или подобным ему прибором.

Подключение измерителя подтверждает то, что движущиеся электроны под действием магнитного поля отклоняются в сторону (перпендикулярно направлению их движения).

Важно! Величина этого отклонения или разность потенциалов пропорциональна «мощности» магнитов и силе тока через пластину.

На этом основании Холл заключил, что такой проводник – хорошее средство для измерения магнитного поля. На данном эффекте основана работа особого чувствительного элемента, называемого датчиком Холла. Разобравшись с тем, как он работает в каждом конкретном устройстве, можно быть уверенным в окончательном усвоении его принципа действия.

Классификация

Важно понимать, какие бывают датчики Холла, и по какому принципу их принято классифицировать. По особенностям работы и тому для чего он нужен или по назначению, датчик Холла может иметь различные исполнения. Одна из разновидностей – аналоговые приборы, вырабатывающие на выходе непрерывный сигнал.

В отличие от них цифровой элемент имеет только два дискретных состояния («ноль» и «единица»). Эта разновидность прибора может быть униполярной или иметь биполярный тип. Первая из них срабатывает при обнаружении поля любой полярности и отключается при его исчезновении. То есть униполярный цифровой сенсор реагирует только на отсутствие или наличие магнитной напряженности. Рассмотренные особенности каждого из подвидов также помогают понять, что это такое – датчик Холла.

Униполярные сенсоры переключаются в «единицу» лишь при достижении полем порогового уровня и не способны определять его наличие при слабых напряженностях. Указанное свойство – существенный минус таких приборов, заметно ограничивающий сферу их применения. Биполярный датчик срабатывает с учетом полярности магнитного поля, одна из которых включает его, а другая – выключает.

Условное графическое обозначение приборов этого класса приведено на фото ниже:

Устройство и примеры использования

Простейшая система с датчиком Холла включает в свой состав следующие элементы:

  1. Постоянный магнит (его функция – создание магнитного поля).
  2. Подвижный ротор с лопастями или зубцами.
  3. Особый стержень из магнитного материала (магнитопровод).
  4. Пластиковый корпус.

Помимо этого, техническая характеристика датчика предусматривает применение микросхем, задействованных в измерительном процессе.

Понять принцип работы этого прибора удается, если ознакомиться с подробной схемой включения датчика Холла в зоне проведения измерений. Схема подключения и суть работы сенсора может быть представлена следующим образом:

  • В зазоре, образованном половинками магнитопровода, перемещаются металлические лопасти ротора.
  • При их вращении происходит периодическое шунтирование магнитного потока.
  • Встроенной микросхемой предусмотрено определение нулевого показателя индукции (в эти моменты напряжение на ее выходе максимально).
  • По частоте таких всплесков, подсчитываемой той же микросхемой, судят о скорости вращения контролируемого объекта (двигательного вала в мотоцикле, например).

Чтобы этот процесс протекал нормально – при включении сенсора в измерительную цепь должна учитываться цоколевка данного образца (она бывает разной).

Обобщая рассмотренную схему, следует предположить, что датчики этого класса способны измерять скорость вращения коленвала любого движущегося средства. Универсальность сенсора, не исключающая возможности его установки в скутере, например, позволяет применять датчик Холла не только в сложных технических устройствах, но и в обычной бытовой технике.

Применение в системе зажигания и стиральных машинах

При использовании датчика Холла в системе зажигания автомобиля с его помощью удается фиксировать момент размыкания трамблера. В данном случае он работает как аналоговый преобразователь, определяющий мгновения прерывания бортового питания. На этом же принципе базируется его применение в рабочих модулях стиральной машины, что позволяет по скорости вращения барабана определять увеличение веса белья.

Датчики Холла устанавливаются и в некоторых образцах измерительной аппаратуры. Чаще всего ими комплектуются бесконтактные клещи, применяемые для измерения тока в проводниках. Встроенный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля, образующегося вокруг силового кабеля. Кроме того, он подходит для ручки газа электровелосипеда, позволяя контролировать угол ее поворота.

В бытовых условиях

В клавиатурах компьютеров эти приборы обеспечивают бесконтактный способ снятия информации. Сенсор, входящий в состав кулера бытового ПК, способен управлять полярностью обмоток ротора, то есть менять направление его вращения.

При использовании такого элемента в смартфоне, в частности, он обеспечивает выключение устройства при помещении его в чехол с «магнитной» застежкой.

Рассматривая области применения датчики Холла простыми словами можно сказать, что его использование в технической сфере практически ничем не ограничено. В электронном конструкторе Ардуино, например, имеется набор с таким датчиком, позволяющий на практике проиллюстрировать эффект Холла.

Это не единственный пример его использования в целях обучения, помогающий начинающим пользователям понять, как подключить и использовать сенсоры полевых структур.

В заключение отметим, что к недостаткам датчиков Холла относят их чувствительность к электромагнитным помехам, нередко возникающим в рабочих цепях. Кроме того, использование сложных электронных модулей в конструкции прибора в какой-то мере влияет на его надежность, несколько снижая ее. Эти минусы сенсора не рассматриваются как его дефекты, а просто учитываются при работе с аппаратурой.

Теперь вы знаете, что такое датчик Холла, как он работает и зачем нужен. Надеемся, предоставленная информация была для полезной и интересной!

Устройство и принцип работы датчика Холла, схема подключения и применение

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

Описание и применение

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

Читайте также:  Какой инверторный сварочный аппарат лучше для дома: характеристики и критерии выбора устройств

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

Регистр Холла работает следующим образом:

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

Напряжение называется напряжением Холла.

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

Виды, устройство и принцип действия

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

Цифровые

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

Контроллеры подобного типа делятся на три вида:

Каждый из этих видов далее будет подробно рассмотрен.

Униполярные

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

Биполярные

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

Омниполярные

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

Аналоговые

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

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

Применение

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

Линейные

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

Датчик тока

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

Тахометр

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

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

По изменению последней можно судить о скорости вращения вала.

Датчик вибраций

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

Детектор ферромагнетиков

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

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

Датчик угла поворота

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

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

Бесконтактный потенциометр

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

ДХ в бесколлекторном двигателе постоянного тока

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

Датчик расхода

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

Датчик положения

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

Цифровые

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

Датчики

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

Контроллер частоты вращения

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

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

Контроллер системы зажигания авто

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

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

Контроллер положения клапанов

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

Так можно фиксировать открывание и закрывание клапанов.

Контроллер бумаг в принтере

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

Устройства синхронизации

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

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

Счетчик импульсов

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

Блокировка дверей

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

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

Измеритель расхода

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

Бесконтактное реле

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

Детектор приближения

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

Какие функции выполняет в смартфоне

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

Как изготовить своими руками

Чтобы сделать простейший ДХ своими руками, понадобится:

  1. Ферритовое кольцо.
  2. Проводник для тока.
  3. Элемент Холла (микросхема ACS 711, например).
  4. Дифференциальный усилитель.

В кольце необходимо пропилить зазор, в котором расположится элемент Холла. Его потребуется подключить к дифференциальному усилителю, который представляет особой ОУ с отрицательной обратной связью.

Если изменение индукции – это своеобразная «ошибка», то ОУ выступает в роли усилителя ошибки, как показано на принципиальной схеме подключения на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема подключения элемента Холла.

Вместо усилителя можно установить микроконтроллер и через ограничительный резистор подключить его к выводу микросхемы ACS 711 в режиме АЦП. Тогда к другому выводу микроконтроллера можно подключить полевой транзистор и получится генератор импульсов, который можно использовать в режиме широтно-импульсной модуляции, например.

Преимущества и недостатки

К преимуществам ДХ можно отнести:

  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.

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

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

А может вы подскажите, как следует его использовать? Я имею ввиду, как стоит правильно подключить?
Могут ли недостатки повлиять на саму работу?

Просто удивительно, что с помощью Датчика Холла можно столько всего испробовать и даже создать его самому. Очень нужная вещь как в квартиру, так и в машину, да и в телефон не помешает. Спасибо за интересную и увлекательную статью. Успехов!

Добавить комментарий