Датчик Холла

Вопросы и ответы

Что такое датчик Холла

Датчики Холла представляют собой твердотельные радиоэлементы, приобретающие все большую популярность в радиолюбительском сообществе и при разработке радиоэлектронных устройств. Они используются в датчиках, которые измеряют положение, скорость или направление движения. Они все чаще заменяют концевые выключатели и герконы.

Поскольку такие датчики полностью герметичны и представляют собой единый радиоэлемент, им не страшны вибрации, пыль и влага. То есть датчик Холла, простыми словами, это радиоэлемент, реагирующий на внешнее магнитное поле.

Интересно, что датчик Холла есть во многих современных смартфонах (правда, его упрощенная версия). Он может обнаруживать наличие магнитного поля и работает вместе с магнитным датчиком, отвечающим за работу компаса.

Датчик Холла используется и в телефонах, где есть специальные чехлы с магнитным замком — Smart Case. Датчик фиксирует открыта или закрыта крышка корпуса и автоматически включает/выключает экран. Чтобы узнать, какие датчики есть в вашем смартфоне, воспользуйтесь этим руководством.

Основные сведения

Начнем с азов: где находится датчик Холла, что это такое, для чего он нужен. «Голый» сенсор — это небольшой метр (сенсор, детектор), почти всегда черного цвета (цвет зависит от предпочтений производителя), размером в несколько миллиметров. Автомобильные изделия имеют относительно крупный пластиковый защитный бокс, «фишку» с кабелем с разъемом для подключения.

Датчик фаз контролирует магнитные поля, их параметры (напряженность) и одновременно выдает заданные алгоритмы работы (замыкание контактов и т.д.).

Соответствующие датчики были названы в честь исследователя Холла, обнаружившего, что разность потенциалов (напряжение Холла) возникает, если в поле помещаются предметы с постоянным током.

Датчик тока автомобиля находится в распределителе — узле подключения свечей, он скрыт пластиковой фишкой с тремя проводами и разъемом для них. На других устройствах его можно разместить где угодно. Обычно на печатных платах — это небольшая черная коробочка с 3, реже — 4 контактами.

Линейные датчики Холла напоминают микросхему. Изделие идентифицируется также по маркировке, обозначения есть в справочниках радиодеталей (распространенные S41, 41F, U18, 3144, 44E, 49E).

При токе в одном направлении электроны отклоняются в проводниках, расположенных перпендикулярно полю. Их срезы имеют неравномерную плотность частиц, это и есть разность потенциалов, регистрируемая датчиком Холла. Становится возможным анализировать напряжение, перпендикулярное току.

Есть и датчик Холла, упрощенный, как, например, в смартфонах: только с функцией подтверждения наличия магнитных явлений, интенсивность не анализируется. На основе сборки, включающей датчик и магнитометр, телефон оснащен опцией компаса.

Как функционирует

Принцип работы, использование датчика Холла:

  • Электроны движутся вдоль датчика по прямой линии при пропускании тока.
  • Под действием поля заряженные частицы отклоняются силой Лоренца по криволинейной траектории.
  • Отрицательно заряженные элементы, они же электроны, притягиваются к одной стороне датчика Холла, а положительные (дырки) – к другой.
  • Описанное накопление в разных сегментах создает разное напряжение, это и есть разность потенциалов. Пропорциональность результирующего напряжения электрическому току и напряженности поля прямая.

Эти последние явления контролируются датчиком, принцип работы которого используется для определения положения управляемых объектов, находящихся под его контролем.

Где применяются

Фазовые датчики начали устанавливать в конструкции примерно через 75 лет после их изобретения, когда появились доступные технологии изготовления полупроводниковых пленочных материалов.

Типичные области применения датчиков Холла:

  • первой областью, где началось его использование, было машиностроение, для измерения углов распредвалов, коленчатых валов, фиксации искр на узлах зажигания;
  • переключатели (бесконтактного типа), анализаторы уровня веществ, скорости вращения лопастей, устройства дистанционного обнаружения токов;
  • сканирование магнитных символов;
  • как замена герконам (автоматическим выключателям, замыкающим контакты с помощью магнита). В этой области описываемые устройства получили наибольшее распространение из-за большого количества устройств: микроэлектроника, аппаратура от наушников до манипуляторов, клавиатуры, в лифтах, средства безопасности (двери, запорные элементы).

В смартфоне

Датчик холла в смартфоне используется для таких целей:

  • в составе компаса, магнитометра;
  • контролировать закрытие/открытие крышки с магнитным замком, отслеживая ослабление/нарастание поля;

Расскажем, зачем нужен датчик холла в смартфоне на крышке. При удалении магнита от детектора возникает импульс на включение экрана, при приближении — на его выключение. Ряд таких чехлов представляет собой отдельный вид продукции, обычно именуемый Smart Case.

Есть и дополнительные функции, принцип их работы следующий: если возле экрана используется крышка без окон, то при закрытии экран детектором отключается, а при открытии автоматически активируется. При наличии окон запускается переключение контента на табло. На видимой области — часы и т.д., на весь экран — вся информация.

Не все смартфоны имеют описанное улучшение, да и производители не всегда указывают его в списке опций, поэтому этот параметр нужно уточнять. Но если в рекомендуемых аксессуарах стоит пометка о тех, что подходят из категории Smart Case, то этот вариант присутствует.

Типы датчиков Холла

Где и зачем применяются аналоговые устройства:

  • в ABS (антиблокировочная система тормозов);
  • управление двигателем (защита, индикация);
  • устройства обнаружения тока, вибрации, черных металлов в детекторах;
  • мониторинг движения (приближение/расстояние, например при парковке);
  • измерения параметров течения веществ, структур;
  • при регулировке напряжения;
  • в измерениях участвуют фазовые датчики, размещенные на токоизмерительных клещах (Tong Testers.

Цифровой:

  • датчик холла отвечает в машине за контроль положения коленвалов за углом зажигания свечей, клапанов;
  • в оптике контролирует положение линзы;
  • определить положение сидений в машине, состояние ремней и подушек безопасности;
  • беспроводная связь, мобильные компьютеры (смартфоны, планшеты, ноутбуки);
  • в приборах для определения давления;
  • датчики в системе «парктроник», аналогичные устройства для фиксации приближения/расстояния;
  • для анализа параметров потока.

Достоинства и недостатки

Преимущества:

  • универсальность (одновременно определяющая положение, направление и т д);
  • износостойкость. Нет движущихся частей, это твердотельные прочные блоки, обеспечивающие исключительную долговечность;
  • практически полная независимость от необходимости обслуживания;
  • датчик тока на эффекте Холла работает в условиях вибрации, в запыленных, влажных, агрессивных условиях, при высоких температурах.

Минусы:

  • стандартные устройства имеют максимальное расстояние до измеряемого тока примерно 10 см. Но все зависит от магнита: если он мощный и создает широкое поле, расстояние увеличивается;
  • характерная «болезнь» — точность, так как есть зависимость от магнитного поля, и другие внешние подобные явления могут вносить искажения.

То же самое относится и к высоким температурам, так как они изменяют сопротивление проводников и подвижность носителей заряда соответственно, но при этом страдает чувствительность. Однако это бывает редко или эффект незначительный, в целом на работу особо не влияет.

В автомобилях

Датчики Холла начали устанавливать на транспорт с 70-80-х годов прошлого века, когда вместо контактного зажигания стали внедрять электроподжиг. Принцип работы: вал электродвигателя вращается с прохождением крыльчатки через пазы корпуса, в которой фиксируется детектор, подающий команду на переключатель, который отпирает транзистор, подающий напряжение на элемент зажигания с обмоткой.

Последний создает высокое напряжение для свечи.

Конструкция

Коробка, «микросхема» с тремя контактами, тремя проводами и разъемом для подключения — классический автомобильный датчик Холла. На разных моделях отличается только мелочевка. Такой дизайн, учитывающий нюансы обслуживаемых объектов, можно считать общей моделью.

Датчик Холла, блок, цепь:

  • «масса» (кузов автомобиля), это «-» или работает ноль;
  • «+», там работает исправная продукция около 6 В;
  • контакт для передачи импульса на выключатель.

Существуют такие преимущества датчиков тока для зажигания электронного типа:

  • отсутствует постоянно горящий объемный контактный узел;
  • на свече выше 30 кВ против 15 кВ, что намного лучше;
  • датчики ставятся на тормоза, АБС, тахометры, поэтому есть важные дополнительные преимущества: повышается производительность ДВС, все системы машины разгоняются и работают эффективнее. В результате повышается простота использования и безопасность.

Подключение больших электронагрузок

Выходная мощность датчика Холла очень мала (10-20 мА), поэтому он не может напрямую контролировать большие электрические нагрузки. Проблема решается достаточно просто: подключение выполнено с добавлением в устройство NPN-транзистора, ток через него идет на выход.

Назначенная часть действует как приемник, а при насыщении активируется как переключатель. Транзистор заземляет выходной контакт, тем самым замыкая его при повышении плотности потока от значений, установленных на «вкл.».

Существуют различные конфигурации транзисторного ключа, но самое главное, что устройство обеспечивает 2-ступенчатый выход, поэтому вы можете потреблять правильный ток для управления большими нагрузками.

Датчик Холла

Поломки датчика тока

Частые поломки и признаки неисправности датчика Холла:

  • двигатель не заводится, перебои в запуске;
  • нестабильный холостой ход;
  • на высоких скоростях дергается (частый симптом), машина глохнет.

Неисправный датчик может закоротить крышку и вызвать проблемы с зажиганием.

Недостатком диагностики является то, что перечисленные симптомы могут быть характерны и для поломки других узлов. Обстоятельства частично нивелируются методами, не слишком сложными, под силу пользователям с элементарными знаниями техники.

Датчик Холла

Проверка датчика Холла

Есть несколько вариантов, как проверить датчик Холла, как проанализировать его работоспособность. Выберите наиболее доступный метод или подходящий для сложившихся условий – все методы эффективны

Вам нужно знать, как выглядит датчик Холла, проверка также включает в себя знание того, как работает распиновка.

Датчик Холла

Имитация наличия

Процедура самая быстрая, подходит, когда ток на электроподжиге есть, а искры нет.

Порядок:

  • Снимите трехштырьковый разъем с распределителя.
  • Включите зажигание автомобиля.
  • Соединить (замкнуть отрезком провода) контакты (клеммы) 3 и 2. Первый «-», второй «+», для сигнала.
  • Они двигают провода, быстро соединяют/разъединяют их контактами. Искра есть — датчик сломан. Высоковольтная линия проложена в земле.

Датчик Холла

Проверка мультиметром

популярна проверка датчика холла мультиметром, он дает возможность определить, исправна ли реальная цепь в изделии.

Датчик Холла

Как проверить датчик холла на ВАЗ тестером:

  1. Перевести тестер на анализ напряжения (вольтметр) с диапазоном от 0 до 15 В.
  2. Ставим четвертую передачу, немного приподнимаем колесо домкратом (достаточно катить).
  3. Подключаем тестер к датчику, крутим колесо и смотрим на экран.
  4. Измерьте выходные параметры: у рабочего экземпляра они в диапазоне 0,4–11 В.

Чтобы проверить наличие обрыва в цепи, установите тестер в «режим прозвонки». Один щуп к контакту на микросхеме, другой к соответствующей ножке датчика. Таким способом проверяются только жилы кабеля, а не внутренний узел самого датчика. Обрыва нет — зуммер (если есть такая опция) и скачок цифр, близких к нулю (0,001 и тому подобное); есть перерыв — 1.

Варианты проверки цепей мультиметром и вольтметром:

Датчик Холла

Читайте также: Розетка для электроплиты: подключение силового устройства

Замена рабочим экземпляром

Вы можете поставить рабочий продукт, если у вас есть запасной, или одолжить его. Если проблема не устранена, старая копия сломана, но рекомендуется убедиться, что она полностью уничтожена, и повторно вставить ее после очистки контактов.

Сложный метод

Эта процедура, как проверить датчик Холла, сложнее предыдущих, но при наличии средних познаний в электротехнике ее выполнить несложно. Итог: проверьте сопротивление.

Для его реализации нужно создать простой узел. Собирают схему со светодиодом, резистором (1 кОм), батарейкой «крона» (9 В). Графической схемы достаточно, чтобы понять:

Датчик Холла станка своими руками со вспомогательным агрегатом проверяется следующим образом:

  • ножка диода снабжена резистором (припаять резистор), к нему 2 провода, желательно подлиннее. Снять крышку трамблера, отщелкнуть трамблер, штекерную коробку. Анализируют электрическую цепь: щупы (подойдет и вольтметр) — к выводам 1 и 3, затем — зажигание. Исправность — на экране 10-12 В;
  • аналогично построенная структура связана с теми же выводами. При правильной полярности свет появится, если нет, переставьте провода;
  • уведомления на терминале 1 не мешают; заканчивая 3 вбрасываем свободную 2;
  • крутим распредвал (вручную, стартером): мигает — все нормально, если нет — надо менять датчик Холла.

На большинстве автомобилей датчики Холла проверяются максимально тщательно, как описано.

Замена

Рассмотрим, как проходит эталонная процедура замены датчика холла ВАЗ. Процесс элементарный даже для новичков.

Порядок замены датчика Холла:

  1. Снимите трамблер, разберите крышку.
  2. Совместите метки газораспределительного механизма, коленчатого вала.
  3. Демонтируйте крепления с помощью гаечного ключа. При этом рекомендуется отметить, запомнить (сфотографировать на смартфон) местонахождение распространителя.
  4. Также демонтируются хомуты, стопоры в корпусе.
  5. Снимите вал с распределителя.
  6. Отсоединяем клеммные контакты, откручиваем болты крепления, вытаскиваем извещатель через прорезь.
  7. Подключение датчика работает — действия в обратном порядке.

Схемы подключения в машине как таковой нет, так как датчик имеет кабель питания с вилкой, то есть уже есть распиновка, а микросхема оснащена «защитой от дурака», ключами (выступами) которые делают невозможным установить неправильный. Коробка извещателя имеет отверстия для болтов сиденья.

В других устройствах датчик Холла припаивается по расположению ножек и контактов под ними на плате. Впрочем, если брать «голый» датчик, и если есть чехол, то расположение контактов аналогичное. Нужная ножка для припайки к плате определяется достаточно просто, как на схеме ниже.

Эффект Холла

Это было еще в 19 веке. Американский физик Эдвин Холл обнаружил очень странный эффект. Он взял золотую пластину и начал пропускать через нее постоянный ток. На рисунке я обозначил эту пластину гранями ABCD.

Он пропустил постоянный ток через поверхности D и B. Затем поднес постоянный магнит перпендикулярно пластине и нашел напряжение на поверхностях A и C! Этот эффект был назван в честь этого великого ученого. Основной физический принцип этого эффекта был основан на силе Лоренца. Поэтому радиоэлементы на эффекте Холла стали называть датчиками Холла.

Но тут есть небольшой нюанс. Дело в том, что напряжение Холла даже при наибольшей напряженности магнитного поля будет составлять несколько микровольт. Согласитесь, это очень мало.

Поэтому, помимо самой пластины, в датчике Холла установлены усилители постоянного тока, схемы коммутации логики, регулятор напряжения и триггер Шмитта. В простейшем коммутационном датчике холла все выглядит так

куда

Supply voltage — напряжение питания датчика

Почва — почва

Регулятор напряжения — регулятор напряжения

А — операционный усилитель

Датчик Холла — собственный рекорд Холла

Переключатель выходного транзистора — выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Линейные (аналоговые) датчики Холла

В линейных датчиках напряжение Холла (напряжение на краях А и С) будет зависеть от напряженности магнитного поля. Или проще говоря, чем ближе мы подносим магнит к датчику, тем больше напряжение Холла. Это линейная зависимость.

В линейных датчиках Холла выходное напряжение снимается непосредственно с операционного усилителя. То есть в линейных датчиках вы не увидите триггера Шмитта, как и выходного переключающего транзистора. Итак, все это будет выглядеть так:

От чего зависит нагрузка на грани А и С? В основном от магнитного поля, создаваемого либо постоянным магнитом, либо электромагнитом; толщина пластины, а также сила тока, протекающего через саму пластину.

Как видите, до определенного момента имеем линейную зависимость выходного напряжения датчика от плотности магнитного потока. Дальнейшее увеличение магнитного потока бесполезно, так как он достиг напряжения насыщения, которое ограничивается напряжением питания самого датчика Холла.

Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие измерять силу тока в проводнике, не касаясь самого провода, например токоизмерительные клещи.

Существуют также устройства, с помощью которых можно измерить напряженность магнитного поля. Датчики Холла, используемые в этих устройствах, называются линейными, так как напряжение на датчике Холла прямо пропорционально плотности магнитного потока.

Как я уже сказал, линейные датчики можно использовать в токовых клещах. Они позволяют измерять силу тока, от 250 мА до нескольких тысяч ампер. Основным преимуществом таких токоизмерительных клещей является отсутствие механического контакта с измеряемой цепью. Другими словами, амперметры на эффекте Холла намного надежнее шунтовых и амперметров, особенно при больших токах в цепи, которые часто встречаются в промышленных установках.

Цифровые датчики Холла

Как только наступила эра цифровой электроники, в одном корпусе вместе с датчиком Холла стали размещать различные логические элементы. Простейший датчик Холла на триггере Шмитта мы уже рассмотрели выше, и выглядит он так:

Фактически у такого датчика всего два выходных состояния. Либо это сигнал (логический), либо нет (логический нуль). Гистерезис триггера Шмитта просто исключает частые переключения, поэтому он всегда используется в цифровых датчиках Холла.

В результате промышленность начала выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном эти датчики делятся на три типа:

Униполярные

Реагирует только на один магнитный полюс. На противоположный магнитный полюс внимания не обращают. Например, подносим к магниту южный полюс и датчик сработает. Он не будет реагировать на северный магнитный полюс.

Биполярные

Подносим магнит одним полюсом — датчик будет работать и будет продолжать работать даже когда мы уберем магнит с датчика. Чтобы его выключить, нам нужно приложить к магниту на нем другую полярность.

Как проверить датчик Холла

Судя по техпаспорту, на первый каскад подаем плюс ток, на второй минус, а с третьего уже снимаем сигнал на логическую единицу или ноль.

Для этого соберем простейшую схему: светодиод на 3 Вольта, токоограничивающий резистор на 1 КилоОм и сам датчик Холла.

Теперь цепляем нашу схему от блока питания, и подаем на нее 5 вольт. Минус на среднем выводе, а плюс ток — на первом.

У меня есть вот такой магнит:

Чтобы не перепутать полюса, я пометил один из полюсов магнита красным бумажным ценником. Какой из них — я не знаю, потому что у меня нет компаса, чтобы узнать, где Северный полюс, а где Южный полюс.

Как только я поднес магнит с «красным» полюсом к датчику холла, мой светодиод сразу погас.

Переворачиваю магнит другим полюсом, подношу к датчику Холла и вуаля!

Если магнит не перевернут, то есть полюса не поменялись, светодиод также останется выключенным, потому что датчик биполярный.

Кстати, почитайте про биполярный транзистор.

А вот и видео работы

Как видно на видео, мы используем магнит для управления датчиком Холла. Датчик Холла выдает нам два состояния сигнала: есть сигнал — единица, нет сигнала — ноль. То есть светодиод горит — единица, светодиод не горит — ноль.

Применение датчиков Холла

В настоящее время область применения датчиков Холла очень обширна и с каждым годом становится все шире и шире. Вот основные приложения:

Применение линейных датчиков

  • датчики тока
  • тахометры
  • датчики вибрации
  • ферромагнитные детекторы
  • датчики угла
  • бесконтактные потенциометры
  • бесщеточные двигатели постоянного тока
  • датчики расхода
  • датчики положения

Применение цифровых датчиков

  • датчики скорости
  • устройства синхронизации
  • датчики системы зажигания в автомобиле
  • датчики положения
  • счетчики импульсов
  • датчики положения клапана
  • замок
  • расходомеры
  • бесконтактные реле
  • датчики приближения
  • датчики бумаги (в принтерах)

Аналоговые и цифровые решения

Датчики Холла регистрируют разность потенциалов. Рассмотренное выше аналоговое решение основано на преобразовании индукции поля в напряжение с учетом полярности и напряженности поля. Принцип работы цифрового датчика заключается в обнаружении наличия или отсутствия поля.

Если индукция достигает определенного показателя, датчик замечает наличие поля. Если индукция не соответствует требуемому показателю, цифровой датчик указывает на отсутствие поля.

Чувствительность датчика определяется его способностью фиксировать поле при определенной индукции. Цифровой датчик Холла может быть биполярным или униполярным. В первом случае срабатывание и отключение устройства происходит за счет смены полярности.

Во втором случае включение происходит при отображении поля, датчик выключается в результате уменьшения индукции.

Самостоятельная проверка устройства

Активное использование данного устройства в автомобилях означает, что при возникновении тех или иных неполадок или неполадок в работе двигателя внутреннего сгорания может возникнуть острая необходимость в проверке датчика Холла своими руками. Перед началом работ по отключению разъема кабеля, подключенного к устройству, обязательно выключите зажигание!

Игнорирование этого правила может вывести из строя датчик Холла. Необходимо добавить, что также недопустимо проверять устройство контрольной лампой.

  1. Один из самых быстрых способов проверки — установить на автомобиль заведомо исправный датчик. Если симптомы неисправности исчезли после установки, причина очевидна.
  2. Другой способ, который подходит для проверки датчика в системе зажигания, — это проверка наличия искры при включении зажигания. Кроме того, необходимо подключить концы провода к нужным выходам на коммутаторе.
  3. Для наиболее точной диагностики устройство лучше проверить осциллографом. Также при определенных условиях датчик проверяют мультиметром. Указанный мультиметр переводят в режим вольтметра, после чего подключают к выходному контакту датчика. Исправный датчик Холла будет давать показания от 0,4 вольта до 3. Если показания ниже минимального порога, датчик, скорее всего, выйдет из строя.

Если такое устройство используется в структурном подразделении, за ним нужно следить очень внимательно. Обратите внимание на частые и регулярные проверки, а также профилактические меры для цепи, отвечающей за соединение.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

При обслуживании соблюдайте осторожность, чтобы не повредить конструкцию агрегата. Поэтому во избежание поломки устройство необходимо отключать от источника питания после выключения зажигания. Благодаря этому вы не допустите скачков напряжения, соответственно устройство не сломается.

В большинстве случаев простаивающие агрегаты не ремонтируются, так как на практике ремонт совершенно бесполезен. Сломанный прибор просто выбрасывается, а на его место ставится новый.

Основное преимущество датчиков Холла в том, что при соблюдении допустимых рабочих значений тока и напряжения их может хватить для большого количества включенных и выключенных телефонов, смартфонов, ноутбуков и других устройств. В отличие от геркона, в устройстве нет электромеханических контактов, которые быстро изнашиваются

Вот мы и рассказали вкратце о том, что такое датчик Холла, по какому принципу он работает и какую функцию может выполнять в автомобилях, а также мобильных телефонах и других видах цифровой техники.

 

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector