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

Описание датчика Холла

С помощью данного прибора контролируется положение распредвала, что необходимо для определения правильного положения газораспределительного механизма, который учитывает положение коленвала. В основе устройства лежит эффект Холла, который был открыт в 1879 году. Только около 30% автолюбителей знают этот прибор как устройство Холла, а как датчик распредвала больше.

Принцип работы

Рассмотрим, как устроен импульсный преобразователь. Он выдает сигналы, если изменяется разность потенциалов, которая возникает в проводнике, когда его пересекает магнитное поле. Создается магнитное поле постоянным магнитом, который находится в приборе.

Магнитное поле меняется, если репер (металлический зуб) замыкает специальный разъем. Репер может находиться либо на зубчатом колесе распредвала, либо на задающем диске, расположенном на валу. На схеме показано устройство преобразователя.

Схема устройства прибора

При прохождении репера через щель возникает разность потенциалов и подается импульс блоку управления. ЭБУ определяет время вспрыска и воспламенения топливно-воздушной смеси (автор видео — Радиолюбитель TV).

Если двигатель оборудован системой изменения газораспределителых фаз, то устройство устанавливается на выпускной и впускной клапан распредвала.

Схема работы устройства

В дизеле устройство Холла помогает определить положение распредвала относительно коленвала. Таким образом обеспечивается устойчивая работа силового агрегата во всех режимах. Для реализации этого процесса изменена конструкция задающего диска распредвала. Он имеет репер для каждого цилиндра.

Знание устройства дает возможность понять, из-за чего могут возникнуть неисправности, как выполнить ремонт либо замену своими руками.

Виды

Благодаря современной электронике созданы устройства Холла двух видов: аналоговые и цифровые. Существует также оптический преобразователь. Аналоговые относятся к обычным преобразователям, они изменяют индукцию поля. Значение, которое будет выдавать преобразователь, зависит от силы магнитного поля и полярности.

В цифровых приборах отсутствует магнитное поле. Принцип их работы состоит в том, что когда индукция достигает порога, выдается логическая единица. Если установленная пороговая величина не достигнута, выдается ноль. Большой недостаток цифровых преобразователей – его низкая чувствительность.

Аналоговый и цифровой преобразователи

Оптический датчик имеет более сложную схему. В оптическом преобразователе магнитное поле движется на прорези в стальном экране, из-за чего изменяется разность потенциалов в системе полупроводников.

Область применения

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

В автомобиле прибор применяется для контроля положения различных узлов и механизмов, в том числе распредвала и коленвала. Он работает в качестве замыкателя и размыкателя. На стационарно закрепленный преобразователь влияет магнит, расположенный и вращающийся в трамблере. Под влиянием магнитного поля прибор подает импульс, вызывающий искру зажигания. На фото можно видеть, как он расположен в трамблере.

Размещение прибора в трамблере

Датчик в автомобиле

Применение датчика Холла получило довольно большое распространение в автомобильной промышленности. Далее будет дано описание — для чего нужен и как работает датчик Холла автомобиля ВАЗ.

Датчик Холла нашел свое применение в системе зажигания таких автомобилей. Состоит устройство из следующих элементов:

1. Самого датчика.
2. Постоянного магнита.
3. Металлической пластины с прорезями.

Автомобильный датчик Холла и его принцип работы будут следующим:

1. Вращение вала двигателя передается на распределитель.
2. К элементу подводится электрическое напряжение.
3. При вращении распределителя, прорези его пластины инициируют размагничивание датчика, а значит в этот момент происходит разъединение контактов. При этом ток не поступает на катушку зажигания.
4. После прохождения прорезей, магнит вступает во взаимодействие с металлической частью пластины. Магнит втягивает контакт внутрь устройства и замыкает его. Через замкнутый контакт ток проходит сначала к коммутатору, а потом уже к катушке зажигания и возбуждает ее. После разряда, ток попадает в распределитель и от него поступает на каждый цилиндр.

Так как автомобиль оснащается 4 цилиндрами, то распределительная пластина имеет только четыре прорези (по одной на каждый цилиндр). От датчика на коммутатор поступает импульсное напряжение. Его частота зависит от скорости вращения самого двигателя. Если напряжение поточное, значит датчик находится постоянно в замкнутом состоянии. Такой вариант указывает на наличие неисправности.

Датчик холла ВАЗ оснащается только 3 контактными проводами. Распиновка проводки устройства будет следующая:

1. Красный провод используется для питания датчика. В соединительном штекере он обозначается цифрой «1» или «+».
2. Далее идет провод зеленого цвета. По нему поступает импульсное напряжение от датчика к коммутатору. Он имеет обозначение «2» или выход.
3. Последний провод — черный или черно-белый, который является массой или «минусом». Подключается непосредственно к массе самого автомобиля.

Подключение данного устройства в карбюраторных моделях автомобилей довольно простые. А вот в инжекторных моделях подключение такого датчика предполагает перенаправление импульса сначала на ЭБУ, а только потом на привод распределения зажигания. Ниже в статье будет приведен датчик Холла и его схема подключения в автомобиле ВАЗ.

Способы диагностики работоспособности

При обнаружении некорректной работы датчиков Холла необходимо прозвонить цепи тестовым прибором. Проверка позволяет убедиться в неисправности сенсора или обнаружить другие поломки. Датчики систем зажигания проверяют путем замыкания контактов колодки или имитацией движения распределительного диска через рабочий зазор сенсора.

… о диагностике датчика

В лабораторных условиях применяют осциллографы, позволяющие снять точный рабочий график датчика на базе принципа Холла. Также используют приборы на базе контроллеров Arduino.

Проверка мультиметром

Для тестирования необходимо взять цифровой прибор и переключить устройство в режим замера постоянного напряжения. Затем следует выполнить подключение щупов к сигнальным контактам и включить датчик (например, прокрутить коленчатый вал мотора стартером). Нужные пины в разъеме определяют опытным путем или по схеме. Исправный сенсор подает импульсы напряжением от 0,4 до 11 В. Поломанный датчик не срабатывает при прокручивании индикаторного кольца. Напряжение между корпусом датчика и кузовом автомобиля должно равняться 0 В.

Для проверки индуктивных датчиков с 2 проводами необходимо выставить тестовый прибор в режим определения переменного напряжения. После включения зажигания следует проверить показания мультиметра (прокручивать вал мотора стартером не требуется). Для теста первый щуп прибора прикладывают к кузову, а второй – к контактам в колодке датчика. На исправном сенсоре вольтметр покажет напряжение на каждом выводе. Если сигнал отсутствует хотя бы на 1 пине, то датчик неисправен.

Альтернативный метод проверки 2-контактного сенсора предусматривает тестирование на работающем двигателе. Необходимо аккуратно установить щуп в разъеме датчика, а второй приложить к болту на кузове машины. Прибор должен показывать плавающее значение напряжения (в диапазоне от 0 до 5 В, значение зависит от модификации сенсора). При отсутствии сигнала датчик неисправен.

Мультиметр тестирует датчик холла в режиме замера напряжения.

Создание имитации

Методика подходит только для проверки трамблеров. Для тестирования необходимо отсоединить штекер проводки и замкнуть контакты куском провода, предварительно изучив распиновку колодки.

… о способе диагностики

При включенном зажигании должна появляться искра, по которой автомеханик узнает о необходимости замены датчика Холла.

Можно протестировать устройство другим способом:

1. Снять крышку с трамблера и уложить металлический наконечник рядом с элементом кузова (например, любой шпилькой на двигателе).
2. Включить систему зажигания и провести стальной пластиной через воздушный зазор датчика, имитируя работу распределителя. Толщина элемента будет влиять на показания, поэтому требуется подобрать планку, соответствующую по габаритам штатному диску. Если датчик исправен, то между контактом и болтом будет проскакивать искра.

Замена рабочим датчиком

Если в автомобиле или гараже имеется запасной датчик, то замена элемента позволяет быстро уточнить состояние старого сенсора. Для выполнения работ понадобится разобрать узел (например, распределитель зажигания) либо отвернуть крепежные болты или винты. Допускается устанавливать только совместимый датчик, при использовании детали другой модели сигнал будет ошибочным из-за неправильного зазора между магнитом и микросхемой.

Замена рабочим датчиком позволяет уточнить состояние сенсора.

Проверка сопротивления

Для проведения тестирования понадобится самодельный прибор, состоящий из последовательно соединенных светодиода и резистора сопротивлением 1–1,5 кОм. Для удобства использования к ножке сопротивления и выводу индикатора следует припаять отрезки медного многожильного провода. В качестве источника питания используют АКБ автомобиля напряжением 12 В.

Инструкция:

1. Открыть крышку трамблера и снять колодку с датчика.
2. При включенном зажигании проверить наличие напряжения в цепи питания. Замер выполняют вольтметром, подключенным к точкам 1 и 3 на сенсоре. При исправной проводке прибор покажет 11,5–12 В.
3. Подсоединить тестовый прибор для определения полярности. Светодиод устроен таким образом, что свечение возникает только при корректной коммутации.
4. Подключить вывод от клеммы № 2 в соответствии со схемой, а затем прокрутить силовой агрегат стартером. При исправном датчике лампа будет мигать с частотой, соответствующей интенсивности вращения задающего диска. Если индикатор не загорается или включается через раз, то датчик считается неисправным и требует замены.

Цифровые датчики: высокая надежность в дискретных приложениях

Во многих приложениях используется цифровой выход для определения, находится ли объект в определенной позиции. Например, датчик может быть использован для проверки наличия защитного ограждения на механизме. Если ограждение находится на своем месте, машина работает. Если же это не так, машина работать не будет. В этом типе дискретного приложения требуется цифровой выход. В приложениях с магнитными датчиками исключительную надежность обеспечивают следующие цифровые датчики:

Герконовые датчики: преимущества и применение

Герконовый датчик представляет собой электрический ключ, который для работы не требует питания, в отличие от интегральной схемы. Выводы заводятся в герметизированную стеклянную колбу, в которой находятся контактные пластины. В результате ключ в герконе обладает высокой надежностью, поскольку он не подвержен влиянию влаги или других факторов окружающей среды. Поэтому контакты не будут окисляться и с нагрузками логического уровня будут продолжать работать в течение миллионов циклов.

Герконовые датчики очень популярны среди приложения с питанием от батареи. Они используются в автомобильных составляющих безопасности, например, обнаружение защелкивания застежки ремня безопасности и обнаружение столкновения. Поскольку герконы могут переключать нагрузки и постоянного, и переменного напряжения, их часто выбирают для цифровых приложений типа «вкл/выкл», например, детектирование закрытия/открытия двери в системах безопасности и в бытовой технике.

Например, дверь холодильника использует геркон для определения закрытия двери. Магнит крепится к двери, а герконовый датчик закрепляется на неподвижной раме, скрытой за внешней стенкой холодильника. Когда дверь открыта, герконовый датчик не может обнаружить магнитное поле, что заставляет включиться светодиодную лампу. Когда дверь закрывается, датчик обнаруживает соответствующее магнитное поле, и светодиод выключается. В этом приложении микроконтроллер внутри блока управления получает сигнал от геркона, а затем включает или выключает светодиод.

Рисунок 1 – Геркон в двери холодильника используется для включения и выключения светодиода

Цифровые датчики Холла: преимущества и применение

Цифровые датчики Холла используют полупроводниковые приборы и их выходное напряжение изменяется в зависимости от изменения магнитного поля. Эти датчики объединяют в семе чувствительный элемент с эффектом Холла и электрическую схему, обеспечивающую цифровой выходной сигнал типа «вкл/выкл», что соответствует изменению магнитного поля без использования каких-либо движущихся частей. Использование датчика на основе эффекта Холла ограничено приложениями с низкими постоянными напряжением и током. В отличие от геркона, устройство на основе эффекта Холла содержит в себе активную схему, поэтому оно потребляет небольшое количество тока в любое время.

Цифровые датчики Холла обеспечивают высокую надежность и для точных требований к измерениям могут быть запрограммированы на активацию при заданной величине магнитного поля.

Эти датчики очень популярны в высокоскоростных измерительных схемах таких бытовых машин, как стиральные машины и сушилки. В этом применении вращающийся 16-полюсный кольцевой магнит активирует чип датчика Холла при каждом прохождении красного (северный полюс) сегмента и деактивирует его при каждом прохождении белого (южный полюс) сегмента, что дает очень точный сигнал, соответствующий скорости. Цифровые датчики Холла особенно полезны в автомобильных приложениях безопасности, таких как определение защелкивания застежки ремня безопасности и определение скорости зубчатой передачи.

Рисунок 2 – Схема применения датчика Холла для измерения скорости

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 и сфера применения

На сегодняшний день существует несколько видов датчиков, которые работают по принципу Холла. Условно они делятся на два типа: цифровой и аналоговый.

Аналоговый датчик холла – самое первое устройство данного типа. Функционирование прибора зависит от силы магнитного поля: чем оно сильнее, тем больше напряжение будет вырабатывать сердечник. В автомобилях такие датчики сейчас не используются, потому что они имеют большие габариты и не всегда эффективную конструкцию.

Элемент аналогового датчика Холла

Цифровой датчик холла часто используется в автомобилях и может быть униполярным и биполярным. Вот их основные отличия:

• Униполярный датчик холла активируется, когда магнитное поле нарастает, а при снижении его силы, устройство выключается;
• Биполярный датчик холла реагирует не на саму силу магнитного поля, а на его полярность. При смене полюсов устройство включается/выключается.

Оба вида относятся к типу линейных датчиков холла. Но в категорию цифровых устройств также входит оптический датчик холла. В отличие от классического устройства, этот прибор не реагирует на магнитное поле. В нем установлен фотоэлемент, который фиксирует положение лопастей вращающегося ротора или вала намного эффективней.

Элемент цифрового датчика Холла

Плюсами такого типа датчиков являются:

• Не боится резкой перемены магнитного поля;
• На него не влияет магнитное поле генератора;
• Дольше работает в области действия переменного магнитного поля;
• По сравнению с классическим магнитным датчиком холла меньшая чувствительность к скачкам напряжения;
• Точнее фиксирует положение зубцов коленвала или другого вращающегося вала, что делает систему зажигания более эффективной.

Помимо привычной сферы применения (в системе зажигания и в некоторых автомобилях для контроля фаз газораспределения) датчики холла также используются для замеров силы тока, вибраций или углов поворота. Такие устройства работают как с переменным, так и с постоянным током.

В автомобилях в основном используются цифровой тип датчиков, которые фиксируют наличие и отсутствие магнитного поля определенной величины. По этому принципу срабатывают разные датчики скорости и положения.

Датчики, работающие по принципу Холла, также нашли свое применение и в электротранспорте. Так, их устанавливают для того, чтобы фиксировать и контролировать ток в электродвигателе в процессе езды, а также регулировать заряд/разряд АКБ.

Как проверить работоспособность датчика Холла

За углом между положением коленчатого и распределительного вала мотора следит датчик Холла. Как правило, данное устройство применяется на автомобилях, которые имеют бесконтактную систему зажигания. Ранее он применялся в конструкции трамблера. Если появляются проблемы с системой зажигания, первым делом следует проверять именно датчик Холла. Сделать это можно несколькими способами.

Работоспособность устройства также проверяется по его сопротивлению.

Мультиметр. Самый популярный способ проверки предполагает использование многофункционального тестера. Первым делом следует демонтировать устройство. Как только датчик будет снят, нужно подсоединить плюсовой контакт тестера в сигнальному выходу, а отрицательный к общему. Диапазон измерения напряжения должен быть выставлен до 12 Вольт. Если устройство находится в исправном состоянии, показатель должен находиться в пределах 0.4 — 11 Вольт.

Самодельный тестер. Работоспособность устройства также проверяется по его сопротивлению. Для того чтобы провести измерение, нужно создать собственный прибор, который состоит из резистора с сопротивлением 1 кОм и светодиода с 2 проводами. Диагностика выполняется по простому алгоритму. Резистор следует припаять к ножке светодиода и подсоединить к нему провода. После этого можно снять крышку распределителя зажигания, выключить трамблер и штекерную коробку. К первой или третьей клемме следует подключить вольтметр или тестер и включить зажигание автомобиля. После всех указанных процедур на экране прибора должен быть показатель от 10 до 12 Вольт — это говорит об исправности оборудования. На этом процедура не заканчивается. Провод с третьей клеммы следует перенести на вторую и прокрутить распредвал. Если датчик Холла исправный, светодиод начнет моргать.

Проверить ресурс устройства можно и при помощи подручных средств. С этой целью справится вентилятор из системного блока ПК

Имитация датчика. Если питание на системе зажигания есть, а искры нет, можно прибегнуть к проведению имитации датчика. Данный способ проверки самый быстрый. Для того чтобы проверить состояние, нужно снять с трамблера колодку с 3 штекерами, включить зажигание и проволокой замкнуть на штекере выходы — 2 и 3. Если датчик Холла вышел из строя, на центральном проводе появится искра.

Если же устройство вышло из строя, нет смысла заниматься его ремонтом, так как новый элемент стоит дешево

Вентилятор ПК. Проверить ресурс устройства можно и при помощи подручных средств. С этой ролью справится вентилятор из системного блока ПК. Первым делом нужно отсоединить жгут проводов, которые идут к трамблеру. Белый и красный провод вентилятора подключается к колодке датчика, которая располагается на трамблере. Все процедуры следует проводить при включенном зажигании. Если вентилятор после подключения крутится, то датчик Холла исправный. Если же устройство вышло из строя, нет смысла заниматься его ремонтом, так как новый элемент стоит дешево. Главное — вовремя проводить диагностику, чтобы не довести до серьезных поломок сопутствующих систем.

Итог. Датчик Холла в автомобиле имеет определенный ресурс. Если в системе зажигания появились сбои, первым делом нужно проверять его. Сделать это можно самостоятельно.

Как проверить датчик Холла самостоятельно

Есть несколько методов проверки проверка устройства на предмет работоспособности. Каждый из них вы можете применять самостоятельно в зависимости от тех или иных обстоятельств:

• проверка тестером. Для этого потребуется любой тестер цифрового формата, установите на нем режим вольтметра и измерьте с его помощью напряжение на датчике. Если датчик работает правильно, то показатели напряжения будут колебаться в пределах от 0,2 до 3 Вольт. При его отсутствии либо показателе свыше 3 Вольт, датчик требует срочной замены;
• проверка устройством, работающим по аналогии с прибором. Вместо самого датчика Холла, который следует проверить на работоспособность, используйте аналогично работающий прибор. Создать подобное устройство можно самостоятельно. Возьмите небольшой кусок провода и колодку вместе с распределителем. Такую конструкцию нельзя использовать в течение длительного времени, особенно в автомобиле, но для одного раза можно сделать исключение. Так вы поймете, состояла ли ваша проблема в датчике, или в чем-то другом;
• проверка с помощью нового такого же устройства. Вы можете поставить другой датчик Холла, работа которого не вызывает у вас нареканий и проверить второй.

Где находится и как выглядит?

Эффект Холла нашел применение во многих системах автомобиля, таких как:

• Определяет положение коленчатого вала (когда поршень первого цилиндра окажется в верхней мертвой точке такта сжатия);
• Определяет положение распределительного вала (для синхронизации открытия клапанов в газораспределительном механизме в некоторых моделях современных ДВС);
• В прерывателе системы зажигания (на трамблере);
• В тахометре.

В процессе вращения вала двигателя датчик реагирует на величину прорезей зубцов, от чего образуется ток низкого напряжения, который поступает на коммутирующее устройство. Попадая в катушку зажигания, сигнал преобразуется в высокое напряжение, которое нужно для создания искры в цилиндре. Если датчик положения коленчатого вала неисправен, запуск мотора невозможен.

Подобный датчик стоит в прерывателе бесконтактной системы зажигания. Когда он срабатывает, происходит переключение обмоток катушки зажигания, что позволяет ей производить заряд на первичной обмотке и совершать разряд со вторичной.

На фото ниже показано, как выглядит датчик и где его устанавливают в некоторых автомобилях.

В трамблере

Датчик коленвала

Датчик распредвала

Датчик тахометра

Датчик холла в электродвигателе