Датчики Холла и принципы их применения

Датчик Холла (тока, фаз) фиксирует колебания магнитных полей, особенно, возникающих с токами, и их напряженность, что затребовано в чрезвычайно большом спектре приборов для мониторинга положения их узлов. В смартфоне датчики тока обеспечивают работу компаса, «умных» чехлов. В автомобилях измеряют угол распредвалов, коленвалов, момент искрения зажигания, параметры вращения колес, приближение к объектам. Все чаще фазные сенсоры устанавливают вместо геркона. Рассмотрим, что такое датчик Холла, как устроен и типы с описанием где используются.

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.

Типы датчиков Холла

Разновидности рассмотрим для удобства таблицей:

Где и зачем используются аналоговые приборы:

• в ABS (антиблокировочных тормозных приспособлениях);
• управление мотором (защита, индикация);
• приборы обнаружения питания, вибрации, черных металлов в детекторах;
• мониторинг движения (приближения/отдаления, например, при парковке);
• замеры параметров потока веществ, конструкций;
• при регулировке напряжения;
• датчики фаз, находящиеся на токоизмерительных клещах (Tong Testers), участвуют в замерах.

Цифровые:

• датчик Холла отвечает в автомобиле за мониторинг положения коленвалов для угла зажигания свечей, клапанов;
• в оптике контролирует положение объектива;
• определение размещения сидений в машине, состояния ремней и подушек безопасности;
• беспроводная связь, мобильные компьютеры (смартфоны, планшеты, ноутбуки);
• в приборах для определения давления;
• сенсоры в системе «парктроник», подобные устройства для фиксации приближения/отдаления;
• для анализа параметров потока.

Достоинства и недостатки

Плюсы:

• универсальность (одновременно определяют положение, направление и так далее);
• износостойкость. Нет движущихся узлов, это твердотельные прочные устройства, что обеспечивает чрезвычайную долговечность;
• почти полная независимость от необходимости обслуживания;
• датчик тока на эффекте Холла работает при вибрациях, в пыльных, влажных, агрессивных условиях, при высоких температурах.

Минусы:

• у стандартных приборов максимум расстояния до замеряемого тока около 10 см. Но все зависит от магнита: если он мощный и создает широкое поле, то дистанция увеличивается;
• характерная «болезнь» — точность, поскольку есть зависимость от магнитного поля, и другие внешние подобные явления могут вносить искажения. Это же касается высоких температур, так как они меняют сопротивление проводников, соответственно, и подвижность носителей заряда, но тут страдает чувствительность. Впрочем, такое встречается редко или влияние ничтожное, в целом не особо влияет на работу.

В автомобилях

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

Конструкция

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

Датчик холла, устройство, схема:

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

Есть такие достоинства датчиков тока для зажиганий электронного типа:

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

Подключение больших электронагрузок

На выходе мощность датчика Холла очень низкая (10–20 мА), вследствие этого он напрямую контролировать высокие электронагрузки не может. Проблему решают достаточно просто: подключение делают с добавлением к устройству NPN-транзистора, через него стекает ток к выходу. Указанная деталь выступает приемником, когда она насыщенная, то активируется как переключатель. Транзистор заземляет выходной контакт, таким образом, замыкая его при повышении плотности потока выставленных значений для «вкл.».

Есть различные конфигурации транзисторного переключателя, но главное – устройством обеспечивается 2-тактный выход, позволяющий потреблять нужный ток для контроля больших нагрузок.

Поломки датчика тока

Частые поломки и признаки неисправности датчика Холла:

• не стартует мотор, перебои с запуском;
• нестабильные холостые;
• при высоких оборотах дергание (частый признак), ТС глохнет.

Неисправный сенсор может замыкать на корпус, провоцируя проблемы с зажиганием.

Недостаток диагностики состоит в том, что перечисленные симптомы могут быть характерными и при поломках других узлов. Обстоятельство отчасти сглаживается методами не слишком сложными, под силу пользователям с элементарными познаниями в технике.

Проверка датчика Холла

Есть несколько вариантов, как проверить датчик Холла, как проанализировать функциональность. Выбирают самый доступный способ или подходящий под сложившиеся условия — все методы действенные

Надо знать, как датчик Холла выглядит, проверка также подразумевает, знание, как устроена распиновка.

Имитация наличия

Процедура самая быстрая, подходит, когда питание на электрозажигании есть, но искры нет.

Порядок:

• С трамблера убирают 3-штекерную колодку.
• Включают зажигание автомобиля.
• Соединяют (замыкают кусочком проводка) контакты (клеммы) 3 и 2. Первый — это «–», второй — «+», для сигнала.
• Двигают проводками, быстро соединяя/разъединяя их с контактами. Есть искра — датчик сломан. Высоковольтный провод держат у массы.

Проверка мультиметром

Проверка датчика холла мультиметром популярная, дает возможность определить, исправна ли сама цепь питания в изделии.

Как проверить тестером датчик холла на ВАЗ:

1. Перевести тестер на анализ напряжения (вольтметр) с диапазоном от 0 до 15 В.
2. Поставить четвертую передачу, домкратом колесо чуть-чуть приподнять (достаточно для прокручивания).
3. Тестер подсоединить к сенсору, крутить колесо и следить за дисплеем.
4. Замерить параметры на выходе: исправный экземпляр имеет их в диапазоне 0,4–11 В.

Для проверки, нет ли обрыва на цепи, ставят на тестере режим «прозвонки». Один щуп к контакту на фишке, второй — к соответствующей ножке сенсора. Данным способом проверяют только жилы кабеля, а не само внутреннее устройство сенсора. Обрыва нет — зуммер (если есть такая опция) и скачок цифр близко к нулю (0,001 и тому подобное); есть обрыв — 1.

Варианты схем проверки мультиметром и вольтметром:

Замена рабочим экземпляром

Можно поставить рабочее изделие, если есть запасное, или одолжить его. Если проблема осталась, то старый экземпляр сломан, но желательно в поломке удостовериться полностью и вставить его еще раз, предварительно почистив контакты.

Сложный метод

Данная процедура как проверить датчик Холла сложнее предыдущих, но, если есть средние познания в электротехнике применить ее просто. Суть: проверить, есть ли сопротивление.

Для реализации необходимо сделать несложный узел. Собирают схему со светодиодом, резистором (1 кОм), батарейкой «крона» (9 В). Для понимания достаточно графической схемы:

Датчик Холла машины своими руками со вспомогательным приспособлением проверяют так:

• ножка диода снабжается сопротивлением (припаивают резистор), к нему — 2 провода, желательно подлиннее. Снимают крышку распределителя, отщелкивают трамблер, штекерную коробочку. Делают анализ электроцепи: щупы тестера (подойдет и вольтметр) — к 1 и 3 клемме, далее — зажигание. Исправность — на дисплее 10–12 В;
• аналогично, на те же выводы подключают сооруженную конструкцию. При правильной полярности появится свет, если нет — переставляют жилы;
• проводок на клемме 1 не беспокоим; конец с 3 кидаем на свободную 2;
• крутим распредвал (вручную, стартером): моргание света — все в порядке, если нет — надо менять измеритель Холла.

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

Замена

Рассмотрим, как эталонную процедуру замены датчика холла ВАЗ. Процесс элементарный даже для начинающих автолюбителей.

Порядок как заменить датчик Холла:

1. Снимают трамблер, демонтируют его крышку.
2. Совмещают метки механизма газораспределения, коленвала.
3. Демонтируют крепежи гаечным ключом. При этом рекомендовано пометить, запомнить (сфотографировать на смартфон) расположение трамблера.
4. Фиксаторы, стопоры в корпусе также демонтируют.
5. Вынимают вал из трамблера.
6. Отсоединяют клеммные контакты, откручивают монтажные болты, через щель вытаскивают обнаружитель.
7. Подключить датчик исправный — действия в обратном порядке.

Схема подключения в автомобиле как таковая отсутствует, так как датчик имеет кабель питания со штекером, то есть распиновка уже есть, а фишка снабжена «защитой от дурака», ключами (выступами), делающими невозможным неправильную установку. На коробочке обнаружителя есть отверстия под болты для посадочного места.

В других устройствах Hall effect sensor припаивается согласно расположению ножек и контактов под них на плате. Если взять «голый» датчик, впрочем, и если есть корпус, расположение контактов аналогичное. Нужную ножку для припаивания на плату определяют просто, как на нижеуказанной схеме.

Ремонт

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

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

Видео по теме