Где используется датчик холла

Что такое датчик Холла и как его применяют

В современной электронике используется множество элементов, работа которых строится на взаимодействии электрического тока и магнитных полей. Статья даст подробное описание — что такое датчик Холла, какие виды датчиков существуют и зачем он используется в автомобилях.

Также будет приведена схема подключения и способ проверки таких датчиков различными способами.

Эффект Холла

Первооткрывателем явления образования разности электрических потенциалов при взаимодействии магнитного поля и электрического тока был физик Эдвин Холл. Он проделал простой эксперимент с пластиной из золота. Эксперимент проводился следующим образом:

1. Грани золотой квадратной пластины помечались буквами A, B, C, D.
2. К граням «D» и «B» был подключен источник электрического тока.
3. Пластина под напряжением помещалась между двумя магнитами.
4. При взаимодействии пластины с магнитным поле, на гранях «A» и «C» появлялся электрический ток с очень маленьким напряжением.

Этот эффект основывается на простом физическом законе: при воздействии силы Лоренца на носитель заряда, на его выводах образуется разность потенциалов.

Простейший датчик на эффекте Эдвина Холла не использовался до момента применения элементов из германия, кремния и других соединений, которые могут взаимодействовать с магнитным полем.

Разновидности

Применение датчиков Холла довольно обширное, они используются во многих сферах промышленности. Существуют две основные разновидности этих устройств, каждая из которых имеет свои особенности срабатывания, сферы использования.

Цифровые

Цифровые датчики Холла используют при работе принцип взаимодействия электромагнитного поля с чувствительными металлическими элементами (контактами).

Принцип работы датчика основан на образовании или преломлении имеющегося сигнала в момент его взаимодействия с магнитным полем. Цифровые типы устройств делятся на 2 основных вида:

1. Униполярный тип. Принцип действия таких устройств строится на работе при наличии магнитного поля одной полярности, например, +. Если полярность отсутствует или элемент попадает под воздействие магнита иной полярности (–), контакты датчика размыкаются, а элемент отключает цепь.
2. Биполярные. Датчик Эдвина Холла биполярного типа работает за счет изменения полярности магнитного поля. Например, при одной полярности работает на включение, а при воздействии другой он отключается.

Устройство цифрового датчика Холла довольно простое, а работает он за счет небольшого по величине напряжения. Датчики Холла могут дополняться внешним усилителем, регулятором или преобразователем напряжений. Дополнительно в схеме могут присутствовать логические переключатели.

Цифровые устройства Холла нашли свое применение в автомобилестроении. На их основе производятся, например, измерители скорости, распределители зажигания. Такими устройствами в наше время оснащаются электрические велосипеды, самокаты. Здесь основное назначение прибора — это считывание количества оборотов ротора электродвигателя за единицу времени.

Аналоговые или линейные

Линейные или аналоговые устройства довольно сильно отличаются от цифровых. Принцип работы эти элементов зависит от величины воздействия магнитного поля на пластину. Чем больше воздействие, тем выше выходное напряжение. Кроме того надо не забывать о том, что величина напряжения может расти только до определенной величины.

Это обуславливается тем, что магнитное поле пластины увеличивается до определенной величины, а потом рост этого поля и электрического напряжения на отводах прекращается. Таким образом будет невозможно получить более высокое напряжение на выходе за счет увеличения напряжения на вводе или использования более мощного постоянного магнита.

Магнитный линейный датчик Холла используется в бесконтактных измерительных приборах. Для примера, токовые клещи, измеряющие силу тока бесконтактным способом, оснащаются подобными устройствами. Так же подобное линейное устройство может выступать в качестве датчика тока, измерителя углов поворотов или вибраций.

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.

Проверка работоспособности

Очень часто автомобилисты сталкиваются с тем, что распределитель зажигания начинает работать неправильно. Проверить работу датчика можно с помощью следующего способа:

1. Мультиметр перевести на режим измерения постоянного тока до 20 вольт.
2. Разъединить штекер питания.
3. К красному разъему подвести провод от аккумуляторной клеммы «+».
4. К третьему контакту подвести провод от массы или минуса аккумулятора.
5. Красный измерительный щуп тестера соединить с центральным выводом штекера.
6. Черный измерительный щуп соединить с массой автомобиля. Можно так же соединить его с любой металлической деталью автомобиля.
7. Провернуть двигатель стартером.

Исправно работающий датчик должен выдать импульсное напряжение около 12 вольт. При таком измерении нужно помнить о том, что делать это надо в течение нескольких секунд. Это позволит убедиться, что намагничивающийся контакт срабатывает непрерывно и никаких сбоев в его работе нет.

Ели мультиметра под рукой нет, то заменить его можно обычной лампой накаливания на 12 вольт. Ее нужно подключить таким же образом к контакту «2» и массе. При правильной работе устройства, лампа будет мигать. Частота мигания лампы будет зависеть от скорости вращения стартера.

Второй способ проверки подразумевает использование внутреннего сопротивления. Для начала стоит демонтировать устройство, и отсоединить штекер питания. Далее необходимо будет выполнить такие шаги:

1. Мультиметр перевести в режим проверки сопротивления.
2. Красный щуп соединить с «+» контактом на штекере.
3. Черный измерительный щуп соединить с центральным импульсным выводом.
4. Подвести к датчику постоянный магнит.

Измеряемый элемент должен выдавать показания сопротивления только в том случае, если на него воздействует магнит. Если никаких показаний при любых воздействиях нет, то такой элемент считается неисправным. Очень часто причина поломки подобных устройств — это загрязнение, которое влияет на прохождение магнитного поля.

В автомобиле имеются датчики скорости. Инжекторные модели автомобилей ВАЗ оборудуются этими устройствами. Их основное назначение — считывание количества оборотов за единицу времени. Датчик находится непосредственно на корпусе коробки передач и взаимодействует с маховиком, который имеет определенное количество зубьев на своем венце. В определенном месте маховика отсутствует один из зубьев. Именно на этот промежуток и реагирует магнит. Его размагничивание приводит к тому, что разъединяются контакты, возникает импульсный сигнал, который затем передается на ЭБУ. Датчики скорости и зажигания работают в синхронном режиме. Сигналы от этих устройств поступают на ЭБУ, который проверяет количество этих сигналов за единицу времени и вычисляет скорость движения автомобиля.

Проверка электронного датчика

При неправильной работе электронных датчиков, потребуется их демонтаж и проверка. Проведем проверку на примере биполярного цифрового датчика, использующегося в электронных измерительных приборах. Для начала расскажем, как устроен такой элемент:

1. Первый его вывод является «+» или входом.
2. Второй контакт является минусом.
3. Третий контакт — импульсный выход.

Для проверки устройства потребуется собрать довольно простую схему. Нужными элементами для такой схемы будут:

1. Светодиодная лампа 3 вольта.
2. Резистор 1кОм в качестве токоограничителя.

Далее необходимо собрать все элементы в единую схему:

1. К первой ножке датчика припаять анод лампы.
2. Катод лампы соединить с выводом резистора.
3. Второй вывод резистора соединить с третьей ножкой датчика.

Потом потребуется блок питания на 5 вольт. Надо будет подключить датчик к этому блоку питания следующим образом:

1. «+» блока к «+» элемента.
2. «минус» блока соединяется с центральной ножкой.

Исправный прибор должен пропустить через себя определенную величину напряжения. При этом сам светодиод должен включится. Затем нужно взять постоянный магнит и подвести его к устройству. При одной полярности лампа должна продолжать гореть, а после смены полярности магнита (необходимо просто перевернуть его) лампа потухнет. Также можно сделать дополнительный тест и узнать, на каком расстоянии происходит отключение лампы.

Мобильный телефон

Датчик тока на простом эффекте Холла используется и в мобильных телефонах. В этих устройствах элемент отвечает за измерение величины магнитного поля, воздействующего на телефон.

Датчик Холла используется в мобильниках — для формирования показаний компаса, удаленного управления, взаимодействия с различными аксессуарами.

Например, за счет его взаимодействия с крышкой телефона происходит включение и отключение дисплея. Принцип действия датчика будет в этом случае следующим. На чехле телефона устанавливается постоянный магнит. При закрытии крышки смартфона, уровень воздействия магнитного поля возрастает и экран отключается. После открытия крышки, магнит удаляется от устройства и его экран включается. Получается, что такой датчик интегрирован непосредственно в схему питания экрана смартфона.

Заключение

В статье было дано максимально подробное описание датчика Холла. Теперь вы знаете, для чего он нужен и где его применяют. Кроме того было описано, как работает датчик Холла в различных электронных цепях и какие виды этих устройств существуют. Такие устройства широко используются во многих электронных схемах. Он может служить в качестве переключателя; использоваться для различных измерений; а так же применяться для включения и отключения приборов.

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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Эффект Холла: что это, зачем используется и где применяется

Измерять характеристики магнитного поля можно как при помощи элементарных систем, так и посредством весьма сложных технологических решений. Все зависит от того, какие именно измерения выполняются и какие результаты ожидается получить. Самые простые датчики магнитного поля — герконы. Эти элементы изменяют состояние подключенной электрической цепи при воздействии магнитного поля. Герконы используются повсеместно, например, в датчиках открытия двери.

Герконы — очень простые системы. Для получения дополнительной информации о магнитном поле можно использовать еще и компас. Примерно так работали первые магнитометры. Но сейчас возможностей гораздо больше, ведь появились новые системы, включая распространенные датчики, где используется эффект Холла.

Спектр моделей таких датчиков чрезвычайно обширен — от клавиатур до оценки закрытия или открытия клапана. Датчики Холла используются в бесконтактной системе зажигания бензиновых двигателей, они служат для считывания показаний распредвала двигателя, с тем, чтобы определять параметры вращения. Электронный блок управления автомобиля по показаниям датчика определяет исправность системы зажигания и старта.

История появления датчика

Все началось с работы Эдвина Холла, который обнаружил эффект, позже названный его именем, в 1878 году. Основная идея проста: при воздействии магнитного поля на проводник, по которому проходит электрический ток, на концах проводника возникает разность напряжений при протекании тока, перпендикулярного полю.

Этот эффект называют обычным эффектом Холла, поскольку есть и другие явление, которое базируются на взаимодействии проводника, тока и магнитного поля.

Соответственно, датчики, чья работа основывается на эффекте Холла — лишь одна из разновидностей современных магнитометров. Есть множество разных датчиков других типов, где используются приемные катушки индуктивности. Они могут вращаться ил инет, используются также шкалы или пружины для измерения силы магнитного поля. Обнаружить магнитное поле можно даже при помощи оптических свойств материалов и соответствующих эффектов — например, эффекта Керра или Фарадея.

Есть и весьма специфические датчики, которые можно назвать экзотикой. Они основываются на измерении протонного резонанса в богатых водородом соединениях и веществах вроде керосина, либо определении энергетического состояния молекул газов типа цезия. Есть и датчики со сверхпроводящими катушками.

Но именно датчики на эффекте Холла являются наиболее недорогими, имеют небольшой размер и весьма практичны. Как уже говорилось выше, миниатюрные датчики Холла используются в клавиатурах. Сложно представить клавиатуру, основа которой — сверхпроводящие датчики, прикрепленные к нижней части клавиш.

Датчики Холла — идеальный вариант при создании систем контроля частоты вращения чего-либо, от кулеров до двигателей в технике. Датчики использовались в видеомагнитофонах и кассетных магнитофонах класса «люкс». Пример — Вега- МП122.

• Работа цифрового компаса, который применятся в навигационных программах и помогает повышать скорость позиционирования.
• Оптимизация взаимодействия девайса с разными аксессуарами, например, магнитными чехлами.
• Применение датчика в моделях с раскладной конструкцией, для включения и отключения экрана при открывании или закрывании крышки.

Как это работает?

В сети есть многочисленные видео, объясняющие физические принципы, лежащие в основе эффекта Холла. Но понять можно и без всяких видео — здесь все относительно просто. Представьте себе проводник размером и формой повторяющий денежную купюру. Левая и правая сторона подключены к источнику постоянного тока, который и проходит через проводник. Если проводник исправен, то без воздействия магнитного поля напряжение в верхней и нижней части проводника будет близким к нулю.

Но если в системе появится магнитное поле, линии которого расположены под прямым углом к течению тока, на электроны и дырки в проводнике начинает воздействовать сила Лоренца. Частицы начинают отклоняться. Соответственно, электроны соберутся на одной стороне проводника, а на другой их не будет.

При помощи мультиметра можно измерить напряжение на верхней и нижней частях проводника. Если убрать магнитное поле, то напряжение снова станет почти равным нулю.

В устройствах, где используется эффект Холла, добавляется еще одна схема, где обычно присутствует усилитель холловского напряжения. Иногда есть регулятор напряжения смещения. У цифрового выходного датчика может быть компаратор и выходной транзистор.

Все датчики — разные

Есть две основные разновидности датчиков Холла — это цифровые датчики, которые, в свою очередь, разделяются на униполярные и биполярные. А также аналоговые датчики.

Если вы хотите использовать датчик Холла в своем проекте, нужно детально разобраться в его базовых характеристиках. У датчиков есть ограничения по частотному диапазону, плюс некоторые могут быть весьма дорогими. Например, у компании Melexis есть девайс на 250 кГц, эта частота гораздо более высокая, чем у большинства похожих систем. Работать оно будет только при 5В и 15 мА.

В примере даташита показано, что есть две разновидности этого датчика — 7,5 mT (миллитесла), второй — 20 mT. Есть даже версия с 60 mT.

Датчики Холла могут быть встроены в электронные схемы. Например, у ESP32 есть собственный датчик Холла, как показано на видео выше.

Разработка систем на основе эффекта Холла

Как и было показано выше, придумать можно много чего. В качестве примера можно привести еще портативный магнетометр, плата которого умещается в пластиковую коробочку из-под Tic Tac. С его помощью можно облегчить задачу отслеживания проложенной в стене или потолке электропроводки. Еще один пример — мониторинг кофе-машин, с целью оценки количества приготовленных чашек кофе.