Hallovy senzory: princip fungování, jak je zkontrolovat vlastníma rukama, použití

Elektromagnetické zařízení zvané Hallův snímač (dále jen Hallův snímač) se používá v mnoha zařízeních a mechanismech. Největší uplatnění ale našlo v automobilovém průmyslu. Téměř u všech modelů domácího automobilového průmyslu (VAZ 2106, 2107, 2108 atd.) je bezkontaktní zapalovací systém pro benzínový motor řízen tímto snímačem. V důsledku toho, když selže, vznikají vážné problémy s provozem motoru. Aby nedošlo k chybám při diagnostice, je nutné porozumět principu činnosti snímače, znát jeho konstrukci a metody testování.

Stručně o principu práce

Princip činnosti senzoru zapalování je založen na Hallově jevu, který dostal své jméno na počest amerického fyzika, který tento jev objevil v roce 1879. Přivedením konstantního napětí na okraje obdélníkové desky (A a B na obr. 1) a jejím umístěním do magnetického pole objevil Edwin Hall potenciálový rozdíl na dalších dvou hranách (C a D).

V souladu se zákony elektrodynamiky působí Lorentzova síla na nosiče náboje, což vede k rozdílu potenciálů. Hodnota napětí U_sál poměrně malý, v rozmezí od 10 μV do 100 mV, závisí jak na síle proudu, tak na síle elektromagnetického pole.

Až do poloviny minulého století nenašel objev vážnějšího technického uplatnění, až vznikla výroba polovodičových prvků na bázi křemíku, ultračistého germania, arsenidu india aj. s potřebnými vlastnostmi. To otevřelo příležitosti pro výrobu malých senzorů, které dokážou měřit jak intenzitu pole, tak proud procházející vodičem.

Typy a rozsah

Navzdory rozmanitosti prvků, které aplikují Hallův efekt, je lze podmíněně rozdělit do dvou typů:

• Analogový, využívající principu přeměny magnetické indukce na napětí. To znamená, že polarita a napětí přímo závisí na vlastnostech magnetického pole. V současné době se tento typ zařízení používá především v měřicí technice (např. jako proudové, vibrační, úhlové snímače).
• Digitální. Na rozdíl od předchozího typu má snímač pouze dvě stabilní polohy, signalizující přítomnost či nepřítomnost magnetického pole. To znamená, že ke spuštění dochází, když intenzita magnetického pole dosáhne určité hodnoty. Právě tento typ zařízení se používá v automobilovém průmyslu jako snímač rychlosti, fáze, polohy vačkového hřídele, klikového hřídele atd.

Je třeba poznamenat, že digitální typ zahrnuje následující poddruhy:

• unipolární – ke spouštění dochází při určité intenzitě pole a po jejím snížení přejde senzor do výchozího stavu;
• bipolární – tento typ reaguje na polaritu magnetického pole, to znamená, že jeden pól zařízení zapíná a druhý vypíná.

Typicky je většina snímačů tříkolíkové komponenty, z nichž dva jsou bi- nebo unipolární a třetí je signál.

Příklad použití analogového prvku

Uvažujme jako příklad návrh proudového senzoru založeného na Hallově jevu.

Označení:

• A je dirigent.
• B – rozpojený prstenec magnetického obvodu.
• C – analogový Hallův senzor.
• D – zesilovač signálu.

Princip fungování takového zařízení je poměrně jednoduchý: proud procházející vodičem vytváří elektromagnetické pole, senzor měří jeho velikost a polaritu a vytváří proporcionální napětí U._DT, který jde do zesilovače a poté do indikátoru.
https://www.youtube.com/watch?v=fmLs9WsKx3I

Jmenování HH v systému zapalování automobilu

Poté, co jsme se zabývali principem fungování Hallova prvku, zvážíme, jak se tento snímač používá v bezkontaktním zapalovacím systému řady automobilů VAZ. Chcete-li to provést, podívejte se na obrázek 5.

Označení:

• A – senzor.
• B – magnet.
• C – deska z magneticky vodivého materiálu (počet výstupků odpovídá počtu válců).

Operační algoritmus takového schématu vypadá následovně:

• Když se hřídel zhášedla-rozdělovače otáčí (synchronně s klikovým hřídelem), jeden z výstupků magneticky vodivé desky zaujme polohu mezi snímačem a magnetem.
• V důsledku tohoto působení se mění síla magnetického pole, což spouští činnost HH. Vyšle elektrický impuls do spínače, který ovládá zapalovací cívku.
• Cívka generuje napětí potřebné k vytvoření jiskry.

Nezdálo by se to nic složitého, ale jiskra by se měla objevit přesně v určitém okamžiku. Pokud se vytvoří dříve nebo později, způsobí poruchu motoru až do jeho úplného zastavení.

Symptom poruchy a možné příčiny

Poruchy v práci HH lze zjistit následujícími nepřímými příznaky:

• Dochází k prudkému nárůstu spotřeby paliva. To je způsobeno skutečností, že směs paliva a vzduchu je vstřikována více než jednou během jednoho cyklu otáčení klikového hřídele.
• Projev nestabilního chodu motoru. Auto může začít „škubat“, dochází k prudkému zpomalení. V některých případech není možné vyvinout rychlost vyšší než 50-60 km/h. Motor se během provozu „zasekne“.
• Někdy může porucha snímače vést k fixaci převodovky bez možnosti přepnutí (u některých modelů dovážených automobilů). K nápravě situace je nutný restart motoru. S takovými pravidelnými případy lze s jistotou uvést cestu z budování DP.
• Porucha se často může projevit ve formě zmizení zapalovací jiskry, což bude mít za následek nemožnost nastartování motoru.
• V systému autodiagnostiky lze pozorovat pravidelné poruchy, například kontrolka kontroly motoru se rozsvítí při volnoběhu a při zvýšení otáček kontrolka zhasne.

Není vůbec nutné, aby uvedené faktory byly způsobeny selháním RP. Existuje vysoká pravděpodobnost, že porucha je způsobena jinými důvody, konkrétně:

• dostat úlomky nebo jiné cizí předměty na pouzdro DP;
• došlo k přerušení signálního vodiče;
• voda se dostala do konektoru DP;
• signální vodič zkratovaný k zemi nebo palubní síti;
• stínící plášť praskl na celém svazku nebo jednotlivých vodičích;
• poškození vodičů dodávajících energii do DP;
• polarita napětí přiváděného do snímače je obrácená;
• problémy s vysokonapěťovým obvodem zapalovacího systému;
• problémy s řídicí jednotkou;
• mezera mezi DP a magneticky vodivou deskou je nesprávně nastavena;
• možná příčina spočívá ve vysoké amplitudě koncového házení ozubeného kola vačkového hřídele.

Jak zkontrolovat, zda Hallův senzor funguje?

Existují různé způsoby, jak zkontrolovat provozuschopnost snímače SBZ, krátce o nich budeme hovořit:

1. Simulujeme přítomnost HH. Toto je nejjednodušší způsob rychlé kontroly. Ale o jeho účinnosti lze diskutovat pouze tehdy, pokud se nevytvoří jiskra, když je k dispozici napájení v hlavních uzlech systému. Chcete-li testovat, postupujte takto:

• odpojte třívodičovou zástrčku od rozdělovače;
• spustíme zapalovací systém a současně s tímto „zkratem“ propojíme kostru a signál ze snímače (vývody 3 a 2). Pokud je na zapalovací cívce jiskra, lze konstatovat, že snímač SBZ ztratil svůj výkon a je třeba jej vyměnit.

Vezměte prosím na vědomí, že pro detekci jiskření musí být vysokonapěťové vedení blízko země.

1. Pro kontrolu použijte multimetr. Toto je nejznámější metoda a je popsána v návodu k vozidlu. Je nutné připojit sondy zařízení, jak je znázorněno na obrázku 7, a změřit napětí.

Na funkčním snímači bude napětí kolísat v rozsahu od 0,4 do 11 voltů (nezapomeňte nastavit multimetr do režimu měření DC). Je třeba poznamenat, že kontrola pomocí osciloskopu bude mnohem efektivnější. Připojuje se stejným způsobem jako multimetr. Příklad oscilogramu pracovního HH je uveden níže.

1. Instalace vědomě pracujícího HH. Pokud je k dispozici jiný senzor stejného typu, nebo je možné jej na chvíli vzít, pak tato možnost také existuje, zvláště pokud jsou první dva obtížně proveditelné.

Existuje další verze kontroly, která je v principu podobná druhé metodě. To může být užitečné, pokud nejsou po ruce žádné měřicí přístroje. Pro testování potřebujete odpor 1,0 kΩ, LED diodu například ze zapalovače a několik vodičů. Z celé této sady sestavíme zařízení podle obrázku 9.

Testování provádíme podle následujícího algoritmu:

1. Zkontrolujte napájení snímače. Za tímto účelem připojíme (při dodržení polarity) náš tester na svorky 1 a 3 DC. Zapněte zapalování, pokud je vše v pořádku s napájením, LED se rozsvítí, jinak budete muset zkontrolovat napájecí obvod (po ujištění, že je LED správně připojena).
2. Pojďme zkontrolovat samotný senzor. Za tímto účelem „přeneseme“ vodič z první svorky na druhou (signál z DC). Poté začneme otáčet vačkovým hřídelem (ručně nebo pomocí startéru). Blikání LED indikuje provozuschopnost DC. V opačném případě pro každý případ zkontrolujeme správnou polaritu při zapojování LED a pokud je správně provedeno, vyměníme snímač za nový.

Senzory – převodníky jedné fyzikální veličiny na jinou (zpravidla elektrickou) jsou rozšířeny v domácích a průmyslových zařízeních. Bez nich je velmi obtížné, ne-li nemožné, měřit, digitalizovat a zpracovávat technologické parametry, jako je tlak a průtok (plyn nebo kapalina), teplota, hladina, intenzita magnetického nebo elektrického pole atd. Jedním z hojně využívaných senzorů je Hallův senzor – používají se jak v každodenním životě (počínaje chytrými telefony či notebooky), tak v nejsložitějších průmyslových zařízeních.

Hallův jev – princip činnosti

Tento efekt objevil v roce 1879 americký fyzik Edwin Hall a pojmenoval jej po něm. Podstata jevu spočívá v tom, že pokud vezmete kovovou desku a propustíte jí elektrický proud (ve směru AB na obrázku), a pak na desku působíte magnetickým polem, například vytvořeným permanentním magnetem, pak ve směru kolmém na průchod proudu (CD na obrázku ) vznikne potenciálový rozdíl.

Tento efekt nastává v důsledku Lorentzovy síly působící na pohybující se náboje a jejich přemísťování ve směru kolmém ke směru pohybu. V důsledku toho vzniká na okrajích desky potenciálový rozdíl, který lze změřit nebo použít k ovládání aktuátorů (předzesílený). Tento rozdíl závisí:

• na síle protékajícího proudu;
• na síle magnetického pole;
• na koncentraci volných nosičů náboje ve vodiči.

Jev je pojmenován po svém objeviteli – Hallův jev.

Typy a provedení Hallových snímačů

Efekt objevený již v předminulém století našel praktické uplatnění. Na jeho základě jsou postaveny snímače magnetického pole. Jejich výhodou je, že nemají pohyblivé ani třecí prvky (na rozdíl od jazýčkových spínačů), takže jejich spolehlivost je mnohem vyšší. Na základě principu citlivosti se průmyslové Hallovy senzory dělí na:

• unipolární (reagují pouze na jeden magnetický pól – severní nebo jižní);
• bipolární (zapnout při vystavení magnetickému poli jedné polarity, vypnout při vystavení magnetickému poli opačné polarity);
• omnipolární – reagují na libovolné póly magnetů.

Čtěte také: Jak rozluštit označení kondenzátoru a zjistit jeho kapacitu?

Potenciální rozdíl vzniklý působením magnetického pole na pohybující se náboje činí jednotky, v nejlepším případě desítky mikrovoltů. Pro praktickou aplikaci to nestačí; Tyto zesilovače jsou zabudovány přímo do pouzdra snímače a zařízení jsou rozdělena do dvou tříd podle typu zesilovače.

1. Analogový. V nich je napětí na výstupu snímače úměrné magnetickému poli (v závislosti na síle magnetu a vzdálenosti od něj). Postaveno na bázi operačního zesilovače a slouží k měření magnetických polí.
2. Digitální. Po zesilovači je instalován komparátor nebo Schmittova spoušť. Výstupní napětí, když magnetická indukce dosáhne určitého prahu, se náhle změní z nuly na vysokou úroveň (obvykle na úroveň napájecího napětí). Takové senzory se používají ke konstrukci magnetických relé nebo generátorů impulsů. Zesílený signál z desky je přiváděn do prahového zařízení. Po dosažení nastavené úrovně se senzor spustí. Úroveň spouštění lze upravit změnou vzdálenosti od snímače ke zdroji magnetického pole.

Aplikace Hallova senzoru

Nejběžnější aplikací Hallova senzoru v každodenním životě jsou bezkontaktní zapalovací systémy automobilů. Jejich výhodou je absence mechanických kontaktních skupin. To znamená žádné opotřebení, žádné spálení kontaktů, žádné riziko mechanického selhání.

Rozvodný systém obsahuje desku s výstupky poháněnou klikovou hřídelí motoru, permanentní magnet a samotný Hallův snímač. Když se deska otáčí, výstupky v přesně definovaném okamžiku, určeném polohou klikového hřídele, spadají do mezery mezi snímačem a magnetem a mění parametry magnetického pole. Snímač generuje impulsy synchronizované s otáčením klikového hřídele, které regulují přívod napětí do vysokonapěťové cívky v požadovaných časech. Také snímače magnetického pole v autě se používají k rozpoznání polohy klikového hřídele.

Dalším využitím magneticky citlivých senzorů je určování polohy rotorů elektromotorů. Reléový prvek je namontován na statoru motoru a je aktivován při průchodu pólu. Na tomto principu můžete postavit otáčkoměr nebo rychloměr.

Zařízení založená na Hallově jevu se používají v notebookech nebo mobilních zařízeních – jako indikátor zavřené polohy víka. Když je senzor aktivován, počítač přejde do režimu spánku nebo se vypne. A v chytrých telefonech je jednou z funkcí senzoru, který reaguje na magnetické pole Země, organizovat provoz elektronického kompasu.

Analogové Hallovy snímače se používají v měřicích přístrojích – tam, kde je potřeba vyhodnocovat úroveň magnetického pole. Jsou nepostradatelné pro bezdotykové měření síly proudu ve vodiči. Jak víte, když proud prochází vodičem, objeví se kolem něj magnetické pole. Jeho intenzita závisí na síle proudu. Pokud je proud střídavý, pak lze pole měřit i jinak (například proudovým transformátorem), ale se stejnosměrným proudem se bez Hallova senzoru neobejdete. Na tomto principu fungují stejnosměrné proudové kleště.

Nejexotičtější aplikací Hallova jevu je konstrukce iontových raketových motorů na jeho principu.

Jak zkontrolovat funkčnost Hallova čidla

Pro kontrolu senzoru můžete sestavit jednoduchý obvod, pro který budete kromě samotného senzoru potřebovat:

• napájení pro požadované napětí;
• rezistor s odporem asi 1 kOhm;
• Světelná dioda;
• magnet.

Pokud není žádná LED, můžete místo ní (a rezistoru omezujícího proud) použít multimetr (digitální nebo ukazatel) v režimu měření napětí.

Neexistují žádné zvláštní požadavky na zdroj energie – proudy v obvodu jsou velmi malé. Jeho napětí musí být v rozmezí napájecího napětí testovaného snímače. LED je spojena anodou s plusem zdroje napětí a katodou s výstupem testovaného zařízení, protože snímač je obvykle vyroben s otevřeným kolektorem (ale je lepší si to ověřit v datasheetu).

Postup testu závisí na typu testovaného zařízení.

1. Chcete-li zkontrolovat unipolární digitální snímač, musíte k němu přivést magnet s jedním pólem. LED by se měla rozsvítit (ukazatel ukazatele voltmetru se odchyluje nebo se hodnoty digitálního testeru náhle změní). Když je magnet odstraněn na značnou vzdálenost, obvod by se měl vrátit do své původní polohy. Pokud snímač nefunguje, musíte magnet otočit druhým pólem a postup opakovat. Pokud LED dioda bliká, znamená to, že senzor funguje. Pokud nebylo dosaženo úspěchu v žádné poloze magnetu, je zařízení nepoužitelné.
2. Obdobnou metodou je testován bipolární digitální snímač, pouze LED svítí na jedné pozici magnetu a nezhasne, když je zdroj magnetického pole odstraněn. Obvod by neměl reagovat na další manipulace se stejným pólem. Pokud magnet otočíte a přivedete k senzoru v opačné polaritě, LED by měla zhasnout. Označuje provozuschopnost testovaného zařízení. Pokud obvod nefunguje správně, senzor selhal.
3. Všepolární digitální Hallův senzor se testuje stejným způsobem jako unipolární, ale magneticky citlivé zařízení musí pracovat v jakékoli poloze magnetu.

Analogové snímače se testují stejnou metodou jako digitální, ale výstupní napětí by se nemělo měnit prudce, ale plynule s nárůstem magnetické síly (například přiblížením permanentního magnetu nebo zvýšením proudu ve vinutí elektromagnetu).

Z praktického hlediska je zajímavá otázka, jak zkontrolovat Hallův senzor nainstalovaný v bezkontaktním zapalovacím systému automobilu. Chcete-li to provést, musíte vyjmout konektor ze snímače a sestavit naznačený obvod přímo na piny.

Zde lze LED také nahradit multimetrem. Při ručním otáčení klikové hřídele vozu můžete pozorovat periodické blikání LED nebo změny výstupního napětí od nuly až po přibližně palubní napětí vozu. Alternativní způsob kontroly v garáži je dočasně vyměnit zařízení za náhradní snímač, o kterém je známo, že je dobrý.

Hallův senzor našel široké uplatnění v domácích a průmyslových spotřebičích. Není těžké zkontrolovat jeho provozuschopnost, pokud rozumíte principu jeho fungování.

Snímače hladiny: typy, charakteristiky, doporučení pro výběr

Přehled protokolů moderní průmyslové automatizace – Modbus, Profinet, EtherCAT atd.

Magnetické pole: zdroje, vlastnosti, charakteristiky a aplikace

Co je to indukční snímač přiblížení, jeho konstrukce a princip činnosti

Jak připojit a nakonfigurovat snímač pohybu pro ovládání osvětlení: schémata elektrického zapojení a konfigurace snímače

Typy snímačů teploty: termistory, termočlánky, odporové teploměry, analogové a digitální snímače