Hallovy senzory: princip činnosti a praktické využití

Hallův senzor je specifické magnetoelektrické zařízení, které jako první objevil Hall. Jeho základním principem činnosti je spojení volaného prvku s obvodem. Takový obvod vytváří na svém výstupu určitý informační signál. Právě pevné pole je hlavním principem činnosti tohoto zařízení. V podstatě se takové zařízení používá k měření rychlosti stacionárních prvků, kterými se pohybují v nějaké struktuře.

Tento článek vám řekne všechny základní informace o Hallově senzoru, kde jej lze použít, jak funguje, z čeho se skládá, na jakém principu funguje a jakého fyzikálního zákona se řídí. Tento materiál je doplněn o dvě videa a jednu přednášku ke stažení na zvolené téma.

Jak funguje Hallův senzor?

Fyzik Hall během svého výzkumu v roce 1879 objevil efekt, že pokud je deska umístěna v magnetickém poli a je na ni aplikováno napětí (deskou protéká proud), pak se elektrony v desce začnou vychylovat. Tato odchylka nastává kolmo ke směru magnetického toku.

Také směr této odchylky nastává v závislosti na polaritě magnetického pole. Ukazuje se, že elektrony budou mít na různých stranách desky různou hustotu, čímž vzniknou různé potenciály. Objevený jev se nazýval Hallův jev.

Jinými slovy, Hall umístil obdélníkovou polovodičovou desku do magnetického pole a aplikoval proud na úzké okraje takového polovodiče. V důsledku toho se na širokých okrajích objevilo napětí. Další vývoj technologií umožnil na základě objeveného efektu vytvořit kompaktní senzorové zařízení. Hlavní výhodou snímačů tohoto druhu je, že frekvence odezvy zařízení neposouvá okamžik měření. Výstupní signál z takového zařízení je vždy stabilní, bez přepětí.

Nejjednodušší senzor se skládá z:

• stálý magnet;
• rotorové listy;
• magnetické obvody;
• plastový obal;
• elektronický mikroobvod;
• kontakty;

Provoz zařízení je založen na následujícím schématu: mezerou prochází kovový list rotoru, který umožňuje posun magnetického toku. Výsledkem je nulový indukční odečet na čipu. Výstupní signál vůči zemi je téměř roven napájecímu napětí.

Hallův snímač v zapalovacím systému je analogový převodník, který přímo spíná napájení. Mezi nevýhody je třeba zdůraznit citlivost zařízení na elektromagnetické rušení, které se může v obvodu vyskytnout. Také přítomnost elektronického obvodu v senzorovém zařízení poněkud snižuje jeho spolehlivost. Doporučujeme také přečíst si článek o konstrukci elektrického palivového čerpadla a také o mechanickém řešení. Z tohoto článku se dozvíte o účelu, konstrukčních prvcích a principech fungování těchto zařízení.

Snímač polohy vačkového hřídele je určen k určení úhlové polohy mechanismu časování ventilů v souladu s polohou klikového hřídele motoru. Informace ze snímače polohy vačkového hřídele využívá systém řízení motoru k řízení vstřikování a zapalování. Funkčně je snímač spojen se snímačem otáček klikového hřídele motoru.

[motory stextbox jsou vybaveny snímačem polohy vačkového hřídele, jehož činnost je založena na Hallově jevu, proto je jiný název pro snímač Hallův snímač.[/stextbox]

Princip činnosti Hallova senzoru je založen na změně směru pohybu nosičů náboje (změna napětí) v polovodiči při změně magnetického pole, které jím prochází. Magnetické pole je generováno permanentním magnetem umístěným v senzoru. Magnetické pole se mění, když je magnetická mezera uzavřena odkazem (kovovým zubem). Referenční bod je umístěn na ozubeném kole vačkového hřídele nebo na speciálním rozvodovém kotouči upevněném na hřídeli.

Když benchmark projde kolem senzoru, vygeneruje se v něm napěťový impuls, který se přenese do elektronické řídicí jednotky. V závislosti na rychlosti otáčení vačkového hřídele přichází signál z Hallova snímače v různých intervalech. Řídicí jednotka motoru na základě těchto signálů rozpozná polohu pístu prvního válce v horní úvrati kompresního zdvihu, zajistí vstřikování benzínu a zapálení směsi paliva se vzduchem.

U motorů vybavených systémem variabilního časování ventilů se k ovládání tohoto systému používá snímač polohy vačkového hřídele. Snímače jsou instalovány na sacích a výfukových vačkových hřídelích. Hallův snímač funguje v řídicím systému vznětového motoru poněkud odlišně. Zde se signály snímačů používají k určení polohy pístu každého válce motoru v horní úvrati kompresního zdvihu. Tím je zajištěno přesné určení polohy vačkového hřídele vůči klikovému hřídeli, což má za následek rychlý start naftového motoru a jeho stabilní provoz ve všech režimech.

Bude to zajímavé➡ Co jsou to SMD součástky?

Pro implementaci těchto funkcí byly provedeny konstrukční změny na rozvodovém disku, na kterém jsou instalovány referenční značky pro každý válec motoru. Mohou to být segmenty různých úhlových šířek nebo sada zubů umístěných v různých vzdálenostech od sebe. Ve čtyřválcovém dieselovém motoru je tedy na rozvodovém disku instalováno 7 zubů: čtyři hlavní – jeden pro každý válec pod úhlem 90° a tři další – pro rozpoznání konkrétního válce.

Další zuby jsou umístěny v různých vzdálenostech od hlavních zubů, což umožňuje nastavení polohy pístu na TDC kompresního zdvihu pro konkrétní válec. Pokud Hallův snímač nefunguje správně (žádný signál), systém řízení motoru využívá při své činnosti informace ze snímače otáček klikového hřídele.

[stextbox pokračuje v práci a po zastavení se může dokonce restartovat.[/stextbox]

druhy

Existují dva typy Hallových senzorů:

• Digitální senzory slouží k detekci magnetických polí. Pokud indukce dosáhne určité meze, senzor vydá signál o přítomnosti magnetického pole. Pokud limit není dosažen, je signál nulový. Slabá indukce a nízká citlivost snímače nedává signál o přítomnosti pole. Nevýhodou tohoto typu snímače je, že má prahovou mrtvou zónu. Digitální Hallovy senzory se dělí na unipolární a bipolární:
• Unipolární Hallovy senzory fungují, pokud existuje pole jakékoli polarity, a vypnou se, když se indukce sníží.
  — Bipolární Hallovy senzory jsou spouštěny změnou polarity pole. Při jedné polaritě je senzor zapnutý a při druhé vypnutý.
• Analogový typ Hallových senzorů mění indukci pole na rozdíl potenciálů. Hodnota senzoru závisí na polaritě a jeho síle. Je nutné vzít v úvahu vzdálenost, ve které je snímač umístěn.

přihláška

Hallovy senzory jsou součástí mnoha zařízení. Nejčastěji se používají při měření intenzity magnetického indukčního pole, v elektromotorech a v iontových raketových motorech. Hallovy senzory jsou široce používány v zapalovacích systémech moderních automobilů.

Používají se také v bezdotykových spínačích, jazýčkových spínačích, při měření proudu, hladiny kapaliny a dalších místech. Jejich hlavní výhodou je dopad bez fyzického kontaktu.

Jak zkontrolovat stav Hallova senzoru na autě

V každodenním životě se s tímto problémem nejčastěji setkávají motoristé. Nejjednodušší způsob je jednoduše jej nahradit funkčním senzorem. Pokud zapalovací systém po výměně funguje, je třeba vyměnit snímač. Pokud není testovaný snímač čím nahradit, pak se sestaví jednoduché zařízení, které dokáže simulovat činnost Hallova snímače. Vezměte kus drátu a trojitý konektor z rozdělovače zapalování. Tyto položky fungují podobně jako senzor.

K ovládání se používá běžný multimetr. Pokud je snímač vadný, tester ukáže 0,4 voltu nebo méně. Činnost snímače se kontroluje také kontrolou jiskry při připojení zapalování. Předtím připojte konce vodiče k výstupům spínače. Pokud se závada nevyskytne na vozidle, ale na jiném zařízení, je nutný tester. Způsob testování bude záviset na zařízení, ve kterém je senzor nainstalován.

Hallovy senzory v chytrých telefonech

Mobilní gadgety mají mnoho funkčních bloků. Mezi nimi jsou pomocné senzory, z nichž jeden je Hallův senzor. V moderních komunikačních zařízeních jsou takové senzory měřicími prvky, které se používají k určení síly magnetického pole a jeho změn. Jsou pojmenovány po vědci Hallovi.

Proč je Hallův senzor instalován ve smartphonu?

Tento dotykový prvek má mnoho možností. Jedním z nich je měření magnetické indukce zařízení a také bezkontaktní ovládání. Drahé modely chytrých telefonů mají magnetometr, jehož činnost je založena na Hallově senzoru.

Bude to zajímavé➡ Nastavitelný stabilizátor napětí a proudu LM317

Na mnoha mobilních telefonech není tento senzor plně implementován. Tento senzor se používá hlavně pro následující úkoly:

• Digitální kompas. Používá se pro navigační programy a zvýšení rychlosti určování polohy.
• Optimalizace interakce zařízení s různými doplňky, magnetickými pouzdry.
• Použití senzoru ve skládacích modelech telefonů k zapnutí a vypnutí obrazovky při pohybu krytu.

Příkladem fungování magnetického Hallova senzoru v pouzdře a smartphonu je to, že při otevření a zavření pouzdra se obrazovka automaticky uzamkne. Snímač reaguje na pohyb magnetu a na zesílení magnetického pole.

Vlastnosti použití Hallova senzoru v autě

V autě funguje Hallův senzor na principu klasického klíče – spínače a otvírače. Magnet se otáčí v rozdělovači a působí na samotný snímač, který je pevně upevněn. Když začne „cítit“ magnetické pole, začne vysílat pulsy, které následně způsobí zapálení jiskry. U automobilu je Hallův senzor jedním z klíčových prvků jeho zapalovacího systému a je přítomen v každém modelu bez ohledu na konfiguraci a cenu.

[stextbox toto zařízení lze použít v digitálních automobilových rychloměrech nebo tachometrech a také se používá ke kontrole rychlosti pohybu údajů o rychlostních stupních a k ovládání činnosti protiblokovacího brzdového systému automobilu.[/stextbox]

Navíc je tato jednotka vysoce spolehlivá. Může fungovat mnoho let, ale obvykle se porouchá v důsledku silného fyzického nárazu nebo v důsledku silného znečištění. Velmi často je snímač instalován tak, že jej lze kdykoli snadno vyjmout a vyměnit. Jedinou výjimkou jsou zařízení, která se používají k ovládání nejsložitějších automobilových systémů.

Princip

Budete potřebovat desku a stejnosměrnou baterii. Desku připojíme k baterii. Elektrický proud začne téci z plusu do mínusu, což je způsobeno pohybem nabitých částic. Z kurzu fyziky tyto částice nebo jinými slovy elektrony létají proti proudu. Nyní přivedeme k desce dva magnety s různými póly tak, aby indukční čáry procházely jejím průřezem.

Vzniká tzv. Lorentzova síla, která vychyluje elektrony letící po desce do strany. Z tohoto důvodu vzniká na okrajích desky potenciálový rozdíl. Tento rozdíl potenciálů, jinými slovy napětí, se bude měnit v závislosti na proudu a magnetickém poli. Tento efekt je pojmenován po muži, který jej objevil v roce 1879. Byl to Edwin Hall.

Na základě tohoto efektu se vyrábí velké množství senzorů, které umožňují měřit stejnosměrný i střídavý proud ve vodiči, aniž by došlo k jeho fyzickému porušení, protože když proud protéká vodičem, vytváří se elektromagnetické pole. Je to podobné jako u magnetů přivedených na desku, mění výstupní napětí Hallova snímače. Problém ale nastává, že toto pole samo je velmi malé, když neprotékají příliš velké proudy. K jeho zvýšení použijeme feritový kroužek, který má speciální magnetické vlastnosti a umožní nám zvýšit potřebné elektromagnetické pole na úroveň pro detekci toku proudu ve vodiči.

Montáž proudového snímače na základě Hallova jevu

Zkusme si vyrobit vlastní snímač proudu. Budete potřebovat feritový kroužek a Hallův senzor. Najít feritový prsten není velký problém. Nacházejí se v počítačových zdrojích nebo energeticky úsporných lampách a prodávají se také v obchodech s rádiem za ceny od 10 do 100 rublů, v závislosti na velikosti samotného prstenu. V našem případě je prsten o průměru 28 mm za 55 rublů.

Vhodné jsou kroužky různých průměrů do 10 mm. Čím větší prstenec, tím citlivější bude snímač proudu. Pokud jde o Hallův senzor, lze jej objednat ze známého webu. Je to levné. Nebo jej lze nalézt v nefunkčních ventilátorech, noteboocích a dalších zařízeních, kde jej lze použít. Hallovy senzory Analogové a digitální (Diskrétní).

Diskrétní pracují na principu tranzistorů, to znamená, že při překročení určité úrovně magnetického pole se spustí senzor. Analogový typ mění své výstupní napětí v závislosti na velikosti magnetického pole, které jím prochází. Budeme potřebovat analogový Hallův senzor. Pokud chcete nejen detekovat tok proudu vodičem, ale také znát přibližnou velikost tohoto proudu.

Bude to zajímavé➡ Tlumivky v elektrotechnice: co to je a kde se používají?

Analogová a digitální řešení

Hallovy senzory detekují potenciální rozdíly. Analogové řešení diskutované výše je založeno na převodu indukce pole na napětí, přičemž se bere v úvahu polarita a síla pole. Princip činnosti digitálního senzoru je zaznamenat přítomnost nebo nepřítomnost pole. Pokud indukce dosáhne určité úrovně, senzor detekuje přítomnost pole. Pokud indukce nesplňuje požadovanou hodnotu, pak digitální snímač nevykazuje žádné pole.

Citlivost senzoru je dána jeho schopností detekovat pole při dané indukci. Digitální Hallův senzor může být bipolární nebo unipolární. V prvním případě se zařízení aktivuje a deaktivuje změnou polarity. Ve druhém případě dojde k zapnutí, když se objeví pole, a senzor se vypne v důsledku poklesu indukce.

Vyzkoušejte své zařízení sami

Aktivní používání tohoto zařízení v automobilech znamená, že pokud dojde k určitým poruchám nebo poruchám ve spalovacím motoru, může být naléhavá potřeba zkontrolovat Hallův snímač vlastníma rukama. Před zahájením práce na odpojení konektoru kabelu, který je připojen k zařízení, nezapomeňte vypnout zapalování!

Ignorování tohoto pravidla může poškodit Hallův senzor. Nutno dodat, že nepřípustná je i kontrola zařízení pomocí testovací lampy.

1. Jedním z nejrychlejších způsobů kontroly je nainstalovat do auta výměnný senzor, o kterém se ví, že je v pořádku. Pokud známky poruchy po instalaci zmizí, pak je příčina zřejmá.
2. Druhým způsobem, který je vhodný pro kontrolu snímače v zapalovacím systému, je kontrola přítomnosti jiskry při zapnutí zapalování. Kromě toho budete muset připojit konce vodiče k požadovaným výstupům na spínači.
3. Pro co nejpřesnější diagnostiku je nejlepší zkontrolovat přístroj pomocí osciloskopu. Za určitých podmínek se senzor kontroluje také pomocí multimetru. Uvedený multimetr se přepne do režimu voltmetru a poté se připojí k výstupnímu kontaktu na snímači. Funkční Hallův senzor poskytne hodnoty od 0.4 V do 3. Pokud jsou naměřené hodnoty pod minimální prahovou hodnotou, pak je vysoká pravděpodobnost selhání snímače.

Pokud se takové zařízení používá v konstrukční jednotce, musí být velmi pečlivě sledováno. Nezapomeňte provádět časté a pravidelné kontroly a preventivní opatření pro okruh, který je zodpovědný za připojení.

Při servisu se snažte nepoškodit konstrukci zařízení. Proto, aby nedošlo k jeho poškození, musí být zařízení po vypnutí zapalování odpojeno od napájení. Díky tomu nedovolíte proudové rázy, a proto se zařízení nerozbije. Ve většině případů se nefunkční jednotky neopravují, protože v praxi jsou opravy zcela zbytečné. Rozbité zařízení se jednoduše zlikviduje a na jeho místo se umístí nové.

[stextbox Výhodou Hallových senzorů je to, že při dodržení přípustných provozních hodnot proudu a napětí to může stačit pro velké množství zapnutí a vypnutí telefonů, smartphonů, notebooků a dalších zařízení. Na rozdíl od jazýčkového spínače nemá zařízení elektromechanické kontakty, které se rychle opotřebovávají.[/stextbox]

Stručně jsme si tedy řekli, co je Hallův senzor, na jakém principu funguje a jakou funkci může plnit v automobilech, ale i mobilních telefonech a dalších typech digitálních zařízení.