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

Датчики стали незаменимой частью жизни людей. Они делают ее проще. Датчики света, звука, движения управляют разными техническими системами. Ту же функцию – управление системами выполняют датчики на основе эффекта Холла (далее ДХ – датчик Холла). Далее будет рассмотрено устройство и особенности датчика Холла, разновидности контроллера, его применение, а также принцип работы.

Что такое датчик Холла

Конструкция представляют собой твердотельный элемент. Он способен генерировать электросигналы, которые строго пропорциональны магнитному полю, что к нему прикладывается. Схема работы показывает функционирование такого элемента более наглядно.

Что такое датчик Холла

Для чего же нужен датчик с эффектом Холла? Назначение его очень широко, но чаще всего устройство используется в автомобилях.

Что такое датчик Холла

Преимущества датчиков Холла

Что такое датчик Холла

Также стоит отметить основные плюсы и минусы датчиков, работающих по принципу Холла. Среди основных достоинств приспособления можно выделить:

Что такое датчик Холла
  • надежность и прочность;
  • неприхотливость в обслуживании;
  • невосприимчивость к воздействию влаги, частиц пыли, вибрационных помех.
Что такое датчик Холла

Конструкция является твердотельной, а потому при отсутствии вращающихся или движущихся элементов не подвергается износу. Устройства могут использоваться по-разному и выполнять несколько функций, в том числе определение скорости, положения и направления движения.

Что такое датчик Холла

Недостатки датчиков Холла

Что такое датчик Холла

Но даже такое полезное изобретение не лишено недостатков. Основной минус конструкции — неточность полученных значений при измерении, так как на функциональность оказывают воздействие магнитные поля извне.

Что такое датчик Холла

Еще на сопротивление установленного проводника влияет повышенная температура, что приводит к воздействию на чувствительность этих датчиков. Датчики Холла не могут измерить ток, если расстояние превышает 1 дм.

Что такое датчик Холла

Типы и сфера применения

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
  • 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.
Типы и сфера применения

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.

Внешний вид цифрового датчика Холла

Типы и сфера применения

Как правило, большинство датчиков представляет собой компонент с тремя выводами, на два из которых подается двух- или однополярное питание, а третий является сигнальным.

Виды, устройство и принцип действия

Всего выделяют два вида датчиков на основе эффекта Холла. Первые – цифровые, вторые – аналоговые. Они значительно отличаются друг от друга в плане конструкции и принципа функционирования.

Цифровые

Виды, устройство и принцип действия

Цифровые регистры имеют два устойчивых положения: ноль или единица – то есть они срабатывают при определенной величине изменения магнитного поля. В основе таких датчиков лежит устройство под названием триггер Шмитта, которое имеет два устойчивых состояния: логический ноль и логическая единица.

Читайте также:  Лучший браузер для Андроид: Рейтинг ТОП-10

Контроллеры подобного типа делятся на три вида:

  1. Униполярные.
  2. Биполярные.
  3. Омниполярные.

Каждый из этих видов далее будет подробно рассмотрен.

Виды, устройство и принцип действия

Униполярные

Контроллеры подобного вида работают только в том случае, если к ним прикладывается магнитное поле положительной полярности от южного полюса. Только при этом условии происходит срабатывание и отпускание контроллера.

Биполярные

Эти цифровые датчики работают под действием магнитного поля и южного, и северного полюса. Их особенность состоит в том, что срабатывают они под действием поля от южного полюса, а отпускаются под действием северного полюса.

Виды, устройство и принцип действия

Омниполярные

Уникальность этих контроллеров Холла состоит в том, что они могут включаться и выключаться под действием поля от любого полюса.

Аналоговые

В отличие от цифровых аналоговые датчики способны выдавать на выходе не два стабильных уровня сигнала, а бесконечное множество. Их принцип работы основан на преобразовании величины индукции поля в напряжение.

Виды, устройство и принцип действия

Конструкция этих устройств содержит элемент Холла (сам контроллер) и усилитель сигнала.

Для чего нужен геомагнитный датчик

На смартфонах датчик геомагнитного анализа используется чаще всего для определения местоположения объекта и стороны света, куда направлен девайс. Информация об отслеживании ориентации устройства в пространстве относительно магнитных полюсов пригодится при работе с картографическими приложениями. Софт данной категории относится к must have для любого современного мобильного устройства и обычно на девайсах под управлением Android уже предустановлены карты (Google Maps), альтернативные варианты можно устанавливать самостоятельно из магазина Google Play.

Наиболее распространённое применение магнитометра в смартфоне – реализация компаса и улучшение геомагнитного позиционирования, но можно использовать его также в качестве металлоискателя и с целью поиска проводки в стенах помещений, для чего потребуется установка специального ПО.

Вместе с акселерометром и гироскопом магнитометр позволяет полноценно использовать Android-устройство в качестве геймпада на компьютере.

Для чего он нужен в телефоне?

Несколько лет назад, магнитометр с дюжиной возможностей можно было встретить только во флагманских смартфонах. Сейчас же, он установлен практически в каждый телефон. Смартфон, укомплектованный магнитометром (работающим по принципу датчика Холла) позволял измерять величину электромагнитной индукции различных приборов, управлять бесконтактно некоторыми функциями телефона (например листание фотографий с помощью жестов, без физического контакта) и т.д.

Для чего он нужен в телефоне?

Для чего он нужен в телефоне?

Хотя магнитометр и установлен во множество мобильных устройств, не в каждом его функции реализованы на полную.

Для чего он нужен в телефоне?

Делается это по техническим (например, не хватает места в конструкции телефона или для уменьшения энергопотребления) и финансовым (в бюджетных моделях) причинам. Если убрать все дополнительные функции, задача упомянутого сенсора сводится к двум основным функциям:

Для чего он нужен в телефоне?
  1. Цифровой компас. Используется навигационными программами для ускорения позиционирования и более точного определения направления движения. При помощи датчика, GPS поиск происходит быстрее.
  2. Взаимодействие с аксессуарами. Приобретя магнитный чехол для смартфона, датчик позволит смартфону включать и отключать дисплей в зависимости от удаления/приближения магнита на аксессуаре.
Для чего он нужен в телефоне?

Эффект «выключения дисплея» можно заметить при закрытой крышке в раскладных телефонах.

Применение датчиков Холла

Разберем более подробно области применения датчиков Холла.

Применение датчиков Холла
  • В смартфонах датчик Холла используется в комплекте с магнитным чехлом. Он позволяет определить чехол открыт или закрыт. Если чехол открыт, то смартфон включается, если открыт, то выключается. Также преобразователь Холла ориентирует телефон по горизонту земли и помогает работе компаса. На мобильных телефонах-раскладушках также применяется датчик Холла для определения телефон находится в открытом или закрытом положении.
Применение датчиков Холла

Применение датчиков Холла
  • В ноутбуках также датчик используется для определения открыта крышка или нет. Сам датчик Холла установлен на материнской плате. На крышке ноутбука установлен магнит. Закрываем крышку – экран гаснет.
  • В стиральных машинах стоит таходачик для подсчета количества оборотов мотора. Электронная система стиральной машинки на основе показаний датчика принимает решение нарастить или уменьшить скорость оборотов и какое количество оборотов нужно для выбранного режима.
  • В автомобилях часто используется эффект Холла в системах зажигания. Находится датчик в трамблере и заменяет собой контактор. Он определяет в какой момент появляется искра и передает данные в блок электроники. Могут применяться униполярные или биполярные данные. Момент создания искры и количество импульсов определяется бесконтактно и теоретически датчики могут работать неограниченное время.
  • В системах сигнализации в бесконтактных выключателях.
  • В системах контроля и управления доступом (СКУД) для чтения магнитных кодов
  • В системах определения уровня жидкости.
  • Для проверки наличия скрытой проводки.
  • Для измерения силы тока.
Применение датчиков Холла

Применение датчиков Холла
  • В робототехнических наборах для изучения эффекта Холла. Это позволяет наглядно показать, как используются магнитные поля в датчиках.
Применение датчиков Холла

То есть датчики Холла применяются в технических областях там, где требуется бесконтактный способ считывания информации. Недостатком датчиков Холла является их зависимость от электрических помех в электроцепях и как следствие снижение надежности. Но при создании электронных устройств такие факторы учитываются и позволяют снизить эти негативные воздействия.

Применение датчиков Холла

Читайте также:  Инструкция по входу в MyKeenetic для роутера Zyxel

Датчик Холла принцип работы

Датчик Холла своим появлением обязан американскому учёному-физику Эдвину Холлу, который в 1879 году совершил важное открытие гальваномагнитного явления.

Практическая ценность эффекта Холла такова, что датчик, изготовленный на его основе, применяется в самых разных приборах и поныне.

Сложное на первый взгляд устройство датчика не является таковым, если детально в нём разобраться. Итак, как же работает датчик Холла?

Датчик Холла: на самом деле – всё просто

Прибор основан на эффекте Холла, который заключается в следующем: если на любой полупроводник, вдоль которого протекает электрический ток, оказать воздействие пересекающим поперёк магнитным полем, то возникнет поле электрическое, называемое электродвижущей силой (ЭДС) Холла. При этом показатель напряжения изменится на величину от 0,4 В до 3 В.

Таким образом, датчик Холла имеет не слишком сложный для понимания принцип работы. Для большей ясности стоит привести наглядный пример.

Для создания эффекта Холла понадобятся тонкая пластинка-полупроводник, источник электрического тока, постоянный магнит, провода. Ток пропускается между двумя сторонами пластинки, параллельными друг другу.

К двум другим сторонам крепятся провода. Одновременно с этим к полупроводнику подносится постоянный магнит. Это и есть генератор Холла.

Можно сделать его импульсным. Для этого достаточно разместить между пластинкой и магнитом движущийся экран с щелями в нём. Такая щелевая конструкция и принцип работы характерны для всех датчиков Холла.

От теории – к практике. Датчик холла: принцип работы и назначение современных генераторов

Практическое применение ЭДС Холла началось далеко не сразу после её открытия, так как полупроводники с нужными свойствами научились изготавливать промышленным способом лишь через несколько десятков лет.

Первые приборы получались довольно громоздкими и не очень эргономичными. Новую жизнь в судьбу датчика Холла привнесло развитие микроэлектроники, когда были придуманы микросхемы. Их стали активно использовать в генераторах Холла.

Благодаря этому был налажен выпуск миниатюрных датчиков, которые могут быть линейными (датчики тока, вибрации, положения, расхода и т.п.) и логическими (датчики приближения, частоты вращения, импульсов и т.д.), цифровыми и аналоговыми.

С помощью датчика Холла стали успешно измерять ток, мощность, скорость, расстояние. Даже в CD-приводе любого персонального компьютера используется ЭДС Холла.

Но наибольшее применение генератор Холла получил в автомобильной промышленности – для измерения положения распределительного и коленчатого валов, в качестве бесконтактного электронного зажигания и в других целях.

Датчик Холла полезен тем, что он считывает и предоставляет электронному блоку управления информацию, нужную для нормальной работы автомобиля.

Несомненные преимущества датчика Холла – его дешевизна, неприхотливость, долговечность и бесконтактность. Надёжность прибора обусловлена тем, что в нём отсутствуют физически взаимодействующие (трущиеся друг о друга) детали.

Типы датчиков Холла

Датчики эффекта Холла можно разделить на два типа:

  • на основании вывода;
  • на основании операции.

На основе результатов

На основе выходных данных датчики Холла можно разделить по типу выхода:

  • аналоговый;
  • цифровой.
Читайте также:  Как исправить неработающую разблокировку лица Android

Датчики Холла с аналоговым выходом

Датчики Холла с аналоговым выходом содержат регулятор напряжения, элемент Холла и усилитель. Как следует из названия, выход такого типа датчика является аналоговым по своей природе и пропорционален напряженности магнитного поля и выходу элемента Холла.

Эти измерительные элементы имеют непрерывный линейный выход. Благодаря такому свойству они подходят для использования в качестве датчиков приближения.

Датчики Холла с цифровым выходом

Датчики эффекта Холла с цифровым выходом имеют только два выхода: «вкл.» и «выкл.». Эти датчики имеют дополнительный элемент — «триггер Шмитта», отличаясь этим от датчиков Холла с аналоговым выходом.

Именно триггер Шмитта вызывает эффект гистерезиса, и поэтому достигаются два различных пороговых уровня. Соответственно, выход всей цепи будет либо низким, либо высоким.

Переключатель эффекта Холла — один из таких датчиков. Эти датчики цифрового вывода широко используются в качестве концевых выключателей в станках с ЧПУ, трехмерных (3D) принтерах и позиционных блокировках в автоматизированных системах.

На основе операции

На основе операции датчики эффекта Холла можно разделить на два типа:

  • биполярный;
  • униполярный.

Биполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют как положительных, так и отрицательных магнитных полей для своей работы. Положительное магнитное поле южного полюса магнита используется для активации датчика, а отрицательное магнитное поле северного полюса — для его отключения.

Униполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют только положительного магнитного поля южного полюса магнита, чтобы быть активированными. Эта же полярность задействуется для выключения датчика.

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

  • Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
  • Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
  • Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
  • Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
  • В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

Совсем не обязательно, что перечисленные факторы вызваны выходом из строя ДП. Высока вероятность того, неисправность вызвана другими причинами, а именно:

  • попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
  • произошел обрыв сигнального провода;
  • в разъем ДП попала вода;
  • сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
  • порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
  • повреждение проводов, подающих питание к ДП;
  • перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
  • проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
  • проблемы с блоком управления;
  • неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
  • возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Поломки датчика тока

Частые поломки и признаки неисправности датчика Холла:

  • не стартует мотор, перебои с запуском;
  • нестабильные холостые;
  • при высоких оборотах дергание (частый признак), ТС глохнет.

Неисправный сенсор может замыкать на корпус, провоцируя проблемы с зажиганием.

Поломки датчика тока

Недостаток диагностики состоит в том, что перечисленные симптомы могут быть характерными и при поломках других узлов. Обстоятельство отчасти сглаживается методами не слишком сложными, под силу пользователям с элементарными познаниями в технике.