Датчик Холла – что это такое, как работает, признаки поломки и способ замены

Немного истории

Впервые этот эффект был обнаружен американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году в ходе совершенно других исследований. Ученый рассуждал, что ток, протекающий через проводник, сам является магнитом. А это значит, что взаимодействуя с магнитным полем, он отклонится в ту или иную сторону и изменится. Следовательно, сопротивление проводника тоже изменится.

Эдвин Герберт Холл (Edwin Herbert Hall) 1855-1938 ггЭдвин Герберт Холл (Edwin Herbert Hall) 1855-1938 гг

Ток в постоянном магнитном поле действительно изменяется, но столь незначительно, что Холл просто не смог этих изменений заметить – в то время не существовало соответствующих приборов. Напряжение, же, создаваемое эффектом, достигало нескольких микровольт. Его легко можно было обнаружить обычным гальванометром.

Открытие эффекта, названное в честь американского физика, в то время не нашло применения. Лишь спустя 75 лет с появлением технологий изготовления сверхтонких пленок, способных в относительно слабом магнитном поле создать достаточно большую разность потенциалов (десятки и даже сотни микровольт), эффект начал использоваться. Сам же ученый экспериментировал с золотой пластинкой, расположенной на стекле.

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.

Что такое датчик Холла

Датчики Холла представляют из себя твердотельные радиоэлементы, которые становятся все более популярными в радиолюбительской среде и разработке радиоэлектронных устройств. Они применяются в датчиках измерения положения, скорости или направленного движения. Они все чаще заменяют собой путевые выключатели и герконы. Так как такие датчики являются абсолютно герметичными и представляют из себя простой радиоэлемент, то они не боятся вибрации, пыли и влаги. То есть по сути датчик Холла простыми словами — это радиоэлемент, который реагирует на внешнее магнитное поле.

Интересно, что датчик Холла есть во многих современных смартфонах (пусть и упрощенный его вариант). Он может определять наличие магнитного поля и работает вместе с магнитным сенсором, который отвечает за работу компаса. Также датчик Холла используется в телефонах, для которых которых доступны специальные чехлы с магнитной защелкой — Smart Case. Сенсор определяет, открыта или закрыта крышка чехла, и автоматически включает/отключает дисплей.

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).

Демонстрация эффекта Холла
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 датчиков Холла

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
    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.
Смотрите также:   Умножители напряжения - теория, практика, схемы

Внешний вид цифрового датчика Холла
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.

Применение датчиков Холла

Самое распространенное применение датчика Холла в быту – бесконтактные системы зажигания автомобиля. Их преимущество – отсутствие механических контактных групп. Это означает отсутствие износа, подгорания контактов, риска механической поломки.

Система распределения содержит пластину с выступами, приводимую во вращение от коленвала двигателя, постоянный магнит и собственно датчик Холла. При вращении пластины выступы в строго определенный момент, определяемый положением коленвала, попадают в зазор между датчиком и магнитом, изменяя параметры магнитного поля. Датчик формирует импульсы, синхронизированные с вращением коленчатого вала, которые регулируют подачу напряжения на высоковольтную катушку в необходимые моменты времени. Также датчики магнитного поля в автомобиле служат для распознавания положения коленвала.

Другое использование магниточувствительных датчиков – определение положения роторов электродвигателей. Релейный элемент крепится на статоре мотора и срабатывает при прохождении полюса.   На этом принципе можно построить счетчик оборотов или измеритель частоты вращения.

Устройства, построенные на эффекте Холла, применяются в ноутбуках или мобильных устройствах – как индикатор закрытого положения крышки. При срабатывании датчика компьютер переходит в режим сна или выключается. А в смартфонах одна из функций датчика, реагирующего на магнитное поле Земли – организация работы электронного компаса.

Аналоговые датчики Холла применяются в измерительных приборах – там, где надо оценить уровень магнитного поля. Незаменимы они при бесконтактном измерении силы тока в проводнике. Как известно, при прохождении тока по проводнику, вокруг него возникает магнитное поле. Его напряженность зависит от силы тока. Если ток переменный, то поле можно измерить другими способами (например, трансформатором тока), а вот при постоянном токе без датчика Холла не обойтись. На таком принципе работают токоизмерительные клещи постоянного тока.

Самое же экзотическое применение эффекта Холла – построение на его принципе двигателей ионных ракет.

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.

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.

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.

Устройство в бытовой технике

Очень часто в бытовой технике, использующей мотор (например, стиральная машинка) для подсчёта количества оборотов стоит сенсор Холла. Он имеет вид кольца с двумя проводами и крепится к ротору электродвигателя. Его работа устроена следующим образом: за счёт вращения вала на сенсор поступает напряжение, сила которого зависит от скорости вращения ротора. Чем обороты больше, тем больше и разность потенциалов. Электронный узел анализирует величину напряжения и выставляет требуемую скорость вращения.

Чтобы проверить преобразователь, потребуется взять мультиметр и прозвонить сопротивление сенсора. Нормальная величина рабочего прибора составляет около 60 Ом. Если мультиметра нет, можно взять простой вольтметр и измерить напряжение на том месте, где подключается сам датчик.

Причины выхода из строя ДХ

Ниже приведены наиболее распространённые факторы выхода из строя датчика Холла:

  1. Наличие загрязнений. Частой причиной поломки бывает банальная грязь. При ее появлении контроллер об это просигнализирует – авто начинает барахлить.
  2. Пропала искра. Необходимо проверить проводку и клеммы на наличие и качество контакта. Окисление хотя бы одного из трех выводов может привести к разрыву цепи. К тому же может произойти простой перегиб или обрыв провода – это может быть вызвано смещением площадки ДХ вакуумным корректором зажигания. Чтобы этого избежать проводка должна закрепляться так, чтобы при смещении она сгибалась в петлю.
  3. Пробой проводки. При сильно изношенной высоковольтной проводке в машине, если она пролегает рядом с проводами датчика, существует вероятность пробоя высоким напряжением. Это чаще происходит при высокой влажности воздуха либо при случайном заезде в глубокую лужу.
Смотрите также:   О подключении вольтметра: схема подключения вольтметров к цепи

Провода от датчика лучше располагать подальше от остальной проводки авто. Также избежать такой проблемы можно регулярной заменой всей электропроводки один раз в два три года. Помимо этого возможен выход из строя датчика вследствие перезарядки генератора АКБ, если контроллер получил чрезмерную нагрузку и на контакте коммутатора сгорел какой-либо элемент.

Как проверить датчика Холла на работоспособность

Для проверки датчика можно собрать несложную схему, для которой, кроме самого датчика, понадобятся:

  • источник питания на нужное напряжение;
  • резистор сопротивлением около 1 кОм;
  • светодиод;
  • магнит.

Если светодиода нет, то вместо него (и токоограничивающего резистора) можно использовать мультиметр (цифровой или стрелочный) в режиме измерения напряжения.

Схема проверки работоспособности датчика Холла со светодиодом.

К источнику питания особых требований не предъявляется – токи в схеме совсем небольшие. Его напряжение должно быть в пределах напряжения питания проверяемого датчика. Светодиод подключается анодом к плюсу источника напряжения, катодом к выходу проверяемого устройства, так как датчик обычно выполняется с открытым коллектором (но лучше проверить по даташиту).

Порядок проверки зависит от типа тестируемого устройства.

  1. Чтобы проверить униполярный цифровой датчик, надо поднести к нему магнит одним полюсом. Светодиод должен загореться (отклониться стрелка стрелочного вольтметра или измениться скачком показания цифрового тестера). При удалении магнита на значительное расстояние схема должна прийти в исходное положение. Если датчик не сработал, надо перевернуть магнит другим полюсом и повторить процедуру. Если светодиод вспыхнул, значит, датчик исправен. Если успеха добиться не удалось ни в одном положении магнита, устройство к работе непригодно.
  2. Биполярный цифровой датчик проверяется по похожей методике, только светодиод загорается при одном положении магнита, и не гаснет при удалении источника магнитного поля. На дальнейшие манипуляции тем же полюсом схема реагировать не должна. Если перевернуть магнит и поднести его к датчику в противоположной полярности, то светодиод должен погаснуть. Это говорит об исправности проверяемого устройства. Если схема работает не так, значит, датчик вышел из строя.
  3. Омниполярный цифровой датчик Холла проверяется таким же образом, как и униполярный, но срабатывать магниточувствительное устройство должно при любом положении магнита.

Аналоговые датчики проверяются по той же методике, что и цифровые, но напряжение на выходе должно меняться не скачком, а плавно по мере возрастания магнитной силы (например, приближения постоянного магнита или увеличения тока в обмотке электромагнита).

С практической стороны интересен вопрос, как проверить датчик Холла, установленный в системе бесконтактного зажигания автомобиля. Для этого надо снять разъем с датчика и собрать указанную схему прямо на штырьках.

Проверка датчик Холла, установленный в системе бесконтактного зажигания автомобиля.

Здесь также светодиод можно заменить мультиметром. Проворачивая коленвал автомобиля вручную, можно наблюдать периодические вспышки LED или изменения выходного напряжения от нуля до приблизительно напряжения бортсети авто. Альтернативный способ проверки в гаражных условиях – временная замена устройства на заведомо исправный запасной датчик.

Датчик Холла нашел широкое применение в бытовой и промышленной технике. Проверить его на исправность несложно, если есть понимание принципа его работы.

Особенности применения датчика Холла в автомобиле

В машине датчик Холла работает по принципу обычного ключа – замыкателя и размыкателя. Магнит при этом вращается в трамблере и влияет на закрепленный стационарным способом сам датчик. Когда последний начинает «чувствовать» магнитное поле, он начинает подавать импульсы, которые, в свою очередь, вызывают искру для зажигания. Для автомобиля датчик Холла является одним из ключевых элементов системы его зажигания и присутствует в любой модели независимо от комплектации и стоимости.

Иногда этот прибор может применяться в цифровых автомобильных спидометрах или тахометрах, а также применяться для проверки скорости движения передаточных данный и с целью контроля работы антиблокировочной системы машины.

Кроме того, данный агрегат отличается высокой надежностью. Он способен работать далеко не один год, а ломается, как правило, из-за сильного физического воздействия или вследствие сильных загрязнений. Очень часто датчик устанавливается так, чтобы его можно было с легкостью в любой момент снять и сменить. Исключение составляют только те приборы, которые используются для контроля наиболее сложных автомобильных систем.

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.

Вольтметр и мультиметр

Используя вольтметр или классический тестер, вам не составит труда проверить состояние устройства.

Думаю, тестером умеет пользоваться каждый автомобилист. Задача заключается в том, чтобы сделать замеры напряжения на выходе датчика.

Если ДХ находится в исправном состоянии, тестер выдаст значения в диапазоне 0,4-11 В.

Ровно точно так же применяют универсальный мультиметр. Нужно лишь выбрать на нем режим вольтметра.

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.
Смотрите также:   Стабилитрон: принцип работы, маркировка, обозначение, параметры, свойства

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.

Проверка ДХ осциллографом

Провести диагностику датчика Холла можно при помощи осциллографа, снимаем осциллограмму напряжения и если есть перебои или вообще отсутствуют импульсы, бракуем ДХ. Но этот метод требует наличие специализированного оборудования которое не целесообразно покупать для домашнего использования.

Проверка датчика Холла на таких автомобилях как ВАЗ 2106, 2107, 2109, а так же Пассат б3 и Ауди 80 абсолютно одинакова.

Другие способы

Если симптомы неисправности датчика Холла не убедили вас, что проблема именно в нем, можно попробовать измерить сопротивление на датчике. Здесь самому придется выступить в роли конструктора и сделать прибор, составляющие детали которого:

  • резистор в 1 кОм;
  • светодиод;
  • проводка.

К одной ножке светодиода паяем сопротивление, к нему — 2 проводка. Длину проводков выбираем самостоятельно – так, чтобы было удобнее работать. Демонтируем крышку распределителя, отключаем штекерный узел и трамблер. Затем диагностируем электроцепь. Затем сделанный для измерения прибор подсоединяем к тем же клеммам. Светодиод обязательно загорится при верном выборе полярности. Если этого не происходит, провода надо поменять местами. Дальше действуем так:

  • подключенный к первой клемме провод оставляем в покое;
  • третью клемму перебрасываем на вторую;
  • прокручиваем распредвал (вручную или при помощи стартера).

Принцип прост: если при прокручивании вала светодиод мигает – значит, все работает и сенсор в порядке. Проверка датчиков на разных моделях машин производится по одной схеме. Также можно попросить знакомых одолжить устройство, которое является заведомо рабочим. Обратитесь к автолюбителям, на машинах которых стоят идентичные сенсоры. Если проблемы пропали, это означает, что ДХ на вашем автомобиле неисправен.

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.

Совет. 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.

Датчик готов.

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.

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.
Источники
  • https://zen.yandex.ru/media/lampexpert/datchik-holla—chto-eto-za-pribor-i-gde-ispolzuetsia-61b81bf9f8a41d46c49c3971
  • https://radio-blog.ru/master/theory/ustroystvo-datchika-holla-printsip-raboty-primenenie-printsipialnaya-shema-podklyuchenie/
  • https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/
  • https://www.asutpp.ru/chto-takoe-datchik-holla.html
  • https://odinelectric.ru/equipment/electronic-components/chto-takoe-datchik-holla
  • https://ProDatchik.ru/vidy/ustrojstvo-datchika-holla/
  • https://ProFazu.ru/knowledge/electronics/datchik-holla.html
  • https://chebo.pro/tehnologii/zachem-nuzhen-datchik-holla-v-kakih-ustrojstvah-on-stoit.html
  • https://autogrm.ru/blog/proverit-datchik-holla.html
  • https://ElectroInfo.net/radiodetali/chto-takoe-datchik-holla.html
  • https://osensorax.ru/posiciya/datchik-holla
  • https://ElectroInfo.net/praktika/kak-proverit-datchik-holla.html

Помогла ли вам статья?

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Библиотека радиолюбителя
Adblock
detector