Теперь – и холловские новые датчики магнитного поля от Texas Instruments

Датчик Холла – принцип работы, схема подключения, эксплуатация видео; АвтоНоватор

Среди элементов радиоэлектроники, автоматики, а также измерительной техники, датчик Холла, принцип работы которого основан на одноименном эффекте, занимает особое место. Смысл упомянутого эффекта заключается в том, что при помещении проводника в магнитное поле появляется электродвижущая сила (ЭДС), направление которой будет перпендикулярным полю и току. Как же это используется в автомобиле?

Датчик Холла – принцип работы и назначение

В современных условиях происходит постоянное технологическое развитие датчиков Холла. Они отличаются надежностью, точностью и постоянством данных. Широкое распространение эти приборы получили в автомобилях и других транспортных средствах. Они обладают повышенной устойчивостью к агрессивным внешним воздействиям. Датчики Холла являются составной частью многих устройств, с помощью которых контролируется определенное состояние техники.

Во многих случаях этот прибор размещается в трамблере и отвечает за образование искры, то есть он используется вместо контактов. Нередко данный прибор применяется для слежения за током нагрузки. С его помощью производится отключение при возникновении токовых перегрузок. В случае перегревания датчика происходит срабатывание температурной защиты. Резкое изменение напряжения может иметь для устройства тяжелые последствия. Поэтому в последних моделях устанавливается внутренний диод, препятствующий обратному включению напряжения.

Датчик Холла до настоящего времени не смог заменить обычные механические переключатели. Однако в любом случае он имеет ряд значительных преимуществ. Основными из них являются отсутствие контактов, загрязнений, а также механических нагрузок. Поэтому часто можно встретить датчик Холла на скутере, применяемый в качестве составной части датчика зажигания.


Датчик Холла – схема подключения и «физика» процесса

Классическое устройство датчика Холла на практике – тонкий полупроводниковый листовой материал. При прохождении через него постоянного тока на краях листа образуется сравнительно невысокое напряжение. Если под прямым углом поперек пластинки проходит магнитное поле, то на краях листа происходит усиление напряжения, которое находится в прямо пропорциональной зависимости с магнитной индукцией. Датчик Холла является одной из разновидностей датчиков импульсов, создающих электрические импульсы с низким напряжением. Благодаря своим качествам, этот элемент широко применяется в бесконтактных системах зажигания.

Мы рассмотрели, какой имеет датчик Холла принцип работы, схема его пока что нам не ясна. Она включает в свой набор постоянный магнит, полупроводниковую пластину с микросхемой и стальной экран, имеющий прорези. Стальной экран через прорези осуществляет пропуск магнитного поля, благодаря чему в пластине из полупроводников начинает возникать напряжение. Сам экран не пропускает магнитного поля, поэтому, когда прорези и экран чередуются, происходит создание импульсов низкого напряжения.

При конструктивном объединении этого датчика с распределителем получается единое устройство – трамблер, выполняющий функции прерывателя-распределителя зажигания.

Датчик Холла и особенности эксплуатации

Когда в конструкции авто активно эксплуатируется датчик Холла, схема подключения его требует регулярных проверок и профилактического обслуживания. Главное еще и не навредить во время таких проверок, поэтому отсоединение разъема кабеля от датчика должно в обязательном порядке производиться при выключенном зажигании. Иначе элемент может просто выйти из строя, ремонтировать его нет смысла, потребуется замена.

Проверить правильность схемы можно следующим образом: при вращении коленчатого вала и, соответственно, вала распределителя должен попеременно загораться и гаснуть контрольный светодиод, указывающий на наличие сигнала. Запрещается проверять датчик с помощью обычной контрольной лампы. Особое внимание во время работы устройства следует обращать на чистоту и надежность в разъеме и контакте штекеров. Необходимо помнить, что датчик Холла нельзя использовать в обычной системе зажигания.

  1. затрудненный запуск двигателя, причём в некоторых случаях запустить его не получается совсем;
  2. нестабильный холостой ход (обороты плавают);
  3. во время движения при повышении оборотов чувствуются резкие рывки;
  4. двигатель может заглохнуть в любой момент без видимых на то причин.

Несмотря на сложность процедуры проверки датчика Холла каждый может провести проверку самостоятельно, хотя объективность тестирования будет ниже. Например, можно воспользоваться мультиметром, установить работу прибора в режим вольтметра и измерить выходное напряжение, которое должно находиться в диапазоне от 0,4 до 11 В. Ну, а самый простой способ проверки это установка заведомо исправного датчика, если изменения будут очевидны, это повод отправиться в магазин за новым датчиком.

Читайте также:  Ваз 2107 ремонт сцепления своими руками MasteraVAZa

Эффект Холла — от теории к практике

Электричество и магнитные поля существуют в тесной взаимосвязи друг с другом. Многие известные физики посвятили жизнь исследованию этой связи, поиску и описанию законов, на которых она базируется, а также способов применения на практике полученных теоретических сведений. Одним из таких учёных был Эдвин Герберт Холл, выдающийся американский исследователь, автор ценных научных материалов. В ходе одного из экспериментов он обнаружил необычное явление, которое со временем получило название «эффект Холла». Сегодня он массово используется в бытовой и компьютерной технике, электрооборудовании автомобилей, контрольно-измерительных приборах и, конечно, исследовательских лабораториях. Так в чём же физическая суть эффекта Холла и почему он не теряет своей актуальности спустя почти полтора века с момента открытия?

Что такое эффект Холла?

Эдвин Холл, пропуская ток через тонкую золотую пластину, расположенную между двумя магнитами, заметил, что носители заряда (электроны) отклоняются от центральной оси к одной из граней проводника. Таким образом, на этой грани возникает отрицательный заряд, а на противоположной — положительный. Возникшая разность потенциалов именуется холловским напряжением. Она строго перпендикулярна току в проводнике и вектору магнитной индукции. Это явление наблюдается не только в золоте, но и в любых проводниковых и полупроводниковых материалах, помещённых в магнитное поле.

Если проанализировать физическую суть, можно обнаружить, что у истоков накопления заряда на гранях проводника лежит сила Лоренца, с которой магнитное поле воздействует на заряженную частицу. Под её воздействием электроны будут накапливаться на грани проводника до тех пор, пока их суммарный заряд не скомпенсирует существующее магнитное поле.

В том же случае, когда внешнее магнитное поле слишком велико, система выйдет за рамки стабильности, и заряженные частицы начнут двигаться по циклоиде. Это называется несоблюдением критерия малости.

Помимо эффекта Холла, законы которого описаны классической физикой и соблюдаются во всех нормальных или приближённых к нормальным условиям экспериментах, выделяют ещё несколько разновидностей явления возникновения разности потенциалов в проводнике.

Аномальный

Аномальным называют любой случай накопления заряда на грани проводника, в котором исключено воздействие внешних магнитных полей. Необходимым условием является перпендикулярная направленность разницы потенциалов относительно направления силы тока.

Причины, по которым возникает аномальный эффект Холла, обычно кроются в намагниченности металла-проводника или особенностях его молекулярной структуры.

Квантовый

Законы возникновения разницы потенциалов в «квантовом мире» исследуются на примере плоского проводника типа ДЭГ (двумерный электронный газ). Квантовый наблюдается в сильных магнитных полях и при низких температурах. Он выражается в квантовании холловского сопротивления, которое на графике имеет чётко выраженные «участки плато». Чем выше сопротивление, тем длиннее участки плато и выше разница между ними.

Открытие данного явления — одна из основных вех современной квантовой физики. Клаус фон Клитцинг, первооткрыватель квантового эффекта Холла, в 1985 году был удостоен Нобелевской премии.

Дробный

Многие передовые учёные в 80-х годах прошлого века заинтересовались исследованиями фон Клитцинга и продолжили изучать свойства разности потенциалов в ДЭГ. Наибольших успехов достигли Даниэль Цуи и Хорст Штёрмер, которые проанализировали промежуточные участки между «плато сопротивления» и пришли к выводу, что при существенном увеличении интенсивности магнитных полей «участки плато» можно получить и на дробных значениях электронных уровней Ландау, например, при n=1/3; n=2/5; n=3/7 и т. д.

Такое явление получило название дробного квантового эффекта Холла, а его первооткрыватели получили Нобелевскую премию по физике в 1998 году. В настоящее время ведутся расширенные исследования квантового и дробного квантового видов данного эффекта.

Спиновый

В 2003–2004 годах было изучено поведение электронов с антипараллельными спинами в проводниках, изолированных от каких-либо магнитных полей. Теоретической базой исследования послужили теории Владимира Переля, выдвинутые в далёком 1971 году. Они были доказаны на практике, когда удалось зафиксировать отклонения данных групп электронов к противоположным граням проводника. Движение заряженных частиц напоминает первый вид эффекта — аномальный.

Формулы и расчёты

Поскольку данный эффект базируется на силе Лоренца, то именно с её определения и начинается математическое описание возникшей разницы потенциалов. Сила Лоренца определяется из следующего выражения:

  • q — заряд частицы;
  • v — скорость движения частиц;
  • B — внешнее магнитное поле.

Электрическое поле, сформированное образовавшимися на гранях проводника зарядами, тоже влияет на движущиеся в сечении электроны. Сила этого влияния описывается так:

  • q — заряд частицы;
  • E — напряжённость внутреннего электрического поля.

Когда разность потенциалов уравновешивает магнитное поле, система считается стабильной. При этом соблюдается условие Fл= Fэл. Следовательно, верны и два следующих утверждения:

Скорость электронов обычно определяется с помощью формулы плотности тока:

  • q — заряд частицы;
  • n — кол-во частиц на единицу объёма.

Теперь электрическое поле E можно описать с помощью выражения:

Найдём разность потенциалов:

Читайте также:  Газораспределительный механизм устройство

Uн=dE=djB/qn, где d — толщина проводящей пластины.

Упростить данное выражение можно с помощью так называемой «постоянной Холла», которая имеет вид R=1/qn. Окончательная формула разности потенциалов примет вид:

То есть, разность потенциалов прямо пропорциональна толщине проводника, магнитной индукции и плотности тока.

Применение

Поскольку данное явление позволяет адекватно оценить концентрацию и подвижность заряженных частиц, проследить чёткую зависимость между силой тока, внешним магнитным полем и поведением электронов в материале, он нашёл широкое применение на практике. В общем виде устройства и приборы, принцип действия которых основан на эффекте Холла, можно разделить на две категории: контрольно-измерительное оборудование для материалов с различной проводимостью и электронные датчики.

В проводниках и полупроводниках

В точном машиностроении рассматриваемый эффект используют для определения электромагнитных свойств и молекулярной структуры материала. В проводниках эти показатели оцениваются посредством анализа движения электронов под воздействием силы тока и магнитных полей, в полупроводниках же с равной эффективностью анализируется как поведение электронов, так и образование электронных дырок. Широкое распространение получил метод ван дер Пау, позволяющий определить:

  • тип полупроводника (p или n);
  • концентрацию заряженных частиц;
  • холловскую подвижность заряженных частиц.

Метод применим к любому плоскому образцу произвольной формы, толщина которого намного меньше длины исследуемого участка. Он широко используется при первичных расчётах полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.

Датчики Холла — назначение и разновидности

Самостоятельные устройства и элементы систем, использующие интересующий нас эффект для измерения магнитоэлектрических величин, называют датчиками Холла. Их делят на две большие группы: аналоговые и цифровые. Аналоговые датчики очень просты и представляют собой, как правило, изолированный источник магнитного поля, действие которого на проводник напрямую зависит от расстояния и полярности. Такие датчики служат для преобразования магнитной индукции в разность потенциалов.

Они необходимы для измерения магнитных полей. Если индукция поля превышает заданный порог срабатывания датчика, то он формирует цифровой сигнал «1», в противном случае значение сигнала – «0». Ввиду наличия «слепых зон», в которых индукция слишком мала для срабатывания датчика, его применение не всегда целесообразно. Цифровые датчики холла делят на:

  • униполярные — генерируют выходной сигнал в магнитном поле любой полярности, отключаются при падении индукции;
  • биполярные — переключают выходной сигнал с «1» на «0» при изменении полярности магнитного поля.

Датчики Холла встречаются в почти любой достаточно сложной электронике — от бесконтактных выключателей до смартфонов, от автомобильных двигателей до ионных двигателей космических кораблей. Способность реагировать на появление и изменение магнитных полей сделала устройство незаменимым в электронике и электромеханике, а отсутствие прямого физического взаимодействия обеспечило высокую надёжность и точность, износостойкость и долговечность датчиков.

Изготовление датчика тока на основе эффекта Холла

Если Вы обладаете хотя бы базовыми навыками в работе с электронными компонентами, то без особого труда сможете самостоятельно сконструировать датчик тока. С его помощью можно будет бесконтактно определять наличие электрического тока в проводнике. Вот полный перечень материалов и инструментов, которые Вам понадобятся:

  • цифровой датчик Холла в «транзисторном» корпусе, например, A3144 или US1881;
  • ферритовое кольцо внешним диаметром не менее 25 мм (можно купить в магазине радиодеталей или извлечь из старого блока питания от энергосберегающих ламп или ПК);
  • электрический зажим типа «крокодил»;
  • цианакрилатный клей;
  • резистор и конденсатор номиналами соответственно 10 кОм и 0,1 мкФ;
  • плата Arduino, макетная плата, провода — для временной макетной сборки;
  • плата Arduino, припой, канифоль, паяльник, провода — для сборки навесным монтажом;
  • ручной лобзик с набором пилок, надфили, наждачная бумага, кусочки резины или ветоши.

Разверните корпус датчика маркировкой к себе. Нумерация выводов слева направо классическая: 1, 2, 3. Между первой и второй ножкой установите керамический конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ (100 нФ). Между первой и третьей ножкой установите резистор сопротивлением 10 кОм. Теперь подключим датчик к плате Arduino по такой схеме:

  • «1» — к контакту 5V+;
  • «2» — к контакту GND;
  • «3» — к цифровому выходу.

Ферритовое кольцо аккуратно распилите пополам с помощью ручного лобзика. Материал твёрдый, но достаточно хрупкий, поэтому работать придётся осторожно. Полученные полукольца очистите от сколов и шероховатостей, после чего приклейте сбоку к «челюстям» зажима-крокодила так, чтобы в сжатом состоянии торцы полуколец едва касались друг друга. На один из торцов наклейте кусочек плотной толстой ткани или резины, на второй — корпус цифрового датчика Холла.

Теперь, поместив внутри разрезанного ферритового кольца проводник и пустив по нему электрический ток, вы сможете наблюдать появление входящего сигнала на плате Arduino.

На сегодняшний день классический эффект Холла полностью изучен и служит теоретической базой для более или менее сложных электронных устройств. Ведутся исследования частных разновидностей эффекта Холла, в том числе поиск способов их использования в электрических, жидко- и газотопливных двигателях нового поколения.

Читайте также:  LP The Power; перевод; MuzOko

Как правильно выбрать бесконтактный датчик

Бесконтактный датчик, также называемый детектором , позволяет обнаруживать присутствие объекта в непосредственной близости без необходимости прикасаться к нему. Для обнаружения наличия или отсутствия объекта используются, главным образом, следующие типы датчиков :

  • Индуктивные
  • Емкостные
  • Магнитные
  • Ультразвуковые
  • Оптические

Как выбрать бесконтактный датчик?

Чтобы правильно выбрать бесконтактный датчик, необходимо задать себе следующие вопросы:

Индуктивные бесконтактные датчики наиболее широко представлены на рынке. Они содержат схему колебаний, которая генерирует электромагнитное поле. Они обнаруживают любую приближенную к ним металлическую деталь, так как на ней возникают индуцированные токи, что уменьшает колебания, эту информацию считывает датчик.

Основными характеристиками индуктивного датчика являются :

  • Его использование ограничено металлическими деталями
  • Относительно низкое расстояние : до 80 мм, расстояние изменяется в зависимости от типа сплава.
  • Низкая цена : он стоит вдвое дешевле опттического датчика.
  • Прочный и устойчивый к жестким условиям окружающей среды, нечувствителен к ударам и вибрациям, к пыли и т.д.
  • Частота переключения достаточно высокая (несколько кГц), что позволяет контролировать прохождение деталей на высокой скорости даже при вращении.
  • Подвижные части не изнашиваются

ПРИМЕНЕНИЕ

Индуктивные датчики находят применение в станках, машинах для текстильной промышленности, автомобильной промышленности, на сборочных линиях и т.д. Они используются для обнаружения металлических деталей в трудных условиях и при необходимости контроля быстро движущихся деталей.

Каковы преимущества выбора емкостного бесконтактного датчика?

Принцип работы емкостных бесконтактных датчиков схож с принципом работы индуктивных датчиков. Электромагнитное поле генерируется конденсатором, расположенным на лицевой стороне датчика. Приближающийся объект изменяет интенсивность и частоту колебаний. В отличие от индуктивных датчиков, емкостные датчики обнаруживают не только металлические предметы, они предназначены для всех типов предметов и материалов любой формы (твердые, жидкие, вязкие, порошкообразные и т.д.).

Основными характеристиками емкостного датчика являются :

    Низкое расстояние : Магнитный бесконтактный датчик марки BERNSTEIN

Известный также как датчик на эффекте Холла, этот датчик работает по принципу, аналогичному индуктивным датчикам. Магнитный бесконтактный датчик также включает в себя металлическое стеклянное лезвие, которое намагничивается очень быстро в близком присутствии магнита, и размагничивается так же быстро при отсутствии магнита. Магнитный детектор работает на большом расстоянии, учитывая его относительно небольшие размеры. Обнаруживаемая деталь должна иметь магнит или быть намагниченной.

Основными характеристиками магнитного датчика являются :

  • Используется для намагниченных деталей или деталей с магнитом
  • Низкая цена
  • Позволяет обнаружить предметы через неферромагнитный барьер
  • Устойчивый к вибрациям и загрязнениям
  • Не изнашивается
  • Гальваническая развязка может быть рассмотрена между измеряемым объектом и цепью.

Каковы преимущества выбора ультразвукового бесконтактного датчика?

Принцип работы ультразвуковых бесконтактных датчиков основан на излучении и приеме высокочастотных ультразвуковых волн (порядка 200 кГц). Возврат волны позволяет обнаружить присутствие объекта и измерить расстояние, на котором он находится (путем измерения времени, затрачиваемого волной для совершения круговой развязки). Эти ультразвуковые датчики могут использоваться для прямого обнаружения или в световой завесе.

Основными характеристиками ультразвукового датчика являются :

  • Обнаруживает любые объекты (порошок, металл, твердые вещества, жидкие вещества, прозрачное стекло, пластик, картон, дерево и т.д.)
  • Работает на расстоянии нескольких метров (15м)
  • Малочувствителен к окружающим условиям
  • Время отклика ограничено скоростью распространения звука в воздухе.
  • Относительно высокая цена (от 200 до 1 000 €).
  • Чувствителен к сквознякам и к температуре (от -10 °C до 50 °C)
  • Не обнаруживает звукопоглотители (вату, пену и т.д.)

ПРИМЕНЕНИЕ

Этот датчик, скорее, предназначен для решения очень специфических задач: обнаружение на большом расстоянии в трудных условиях, обнаружение прозрачных или сильно отражающих объектов и т.д.
Ультразвуковые датчики могут быть установлены, например, на конвейерах для обнаружения бутылок или упаковок. Они также используются при необходимости определить уровень жидкости (флаконы) или гранул (бункеры).

Каковы преимущества выбора оптического бесконтактного датчика?

Этот датчик достаточно широко представлен на рынке. Его работа основана на оптическом принципе. Он обнаруживает предмет, когда световой пучок либо ослабляется, либо прерывается проходящим через него предметом. В зависимости от предмета, проходящего через световой пучок, и расстояния обнаружения, возможны различные конфигурации:

  • Тип — пресечение луча : передатчик и приемник отделены друг от друга
  • Тип — отражение : световой луч отражается от объекта и попадает на приемник
  • Тип — прямое отражение: когда свет просто отражается от объекта.

Чувствительные к загрязнениям, оптические бесконтактные датчики обладают важными преимуществами :

  • Обнаруживает любые предметы (включая прозрачные материалы)
  • Являются самыми мощными с точки зрения расстояния обнаружения : они обнаруживают объекты на расстоянии до 200 м.

ПРИМЕНЕНИЕ:

Оптические датчики используются для обнаружения деталей в текстильной промышленности, робототехнике, лифтах и общем строительстве. Они также находят применение в погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке. Они также используются для задач, требующих обнаружения людей, транспортных средств или животных.

Ссылка на основную публикацию
Теория музыки построение аккордов, изменение тональности
Сольфеджио ДШИ Бирюч Задания для обучения с применением дистанционных образовательных технологий учащихся по дополнительным предпрофессиональным программам в области музыкального искусства...
Сэкономить на ОСАГО — Новости Владимира на ПРИЗЫВ, новости Владимирской области
Как сэкономить на покупе страхового полиса ОСАГО в 2020 году 1 Отказаться от покупки допуслуг Компании, стремясь увеличить собственный доход,...
Таблетки от боли в сердце какие лекарства и препараты принимать
Таблетки от боли в сердце список и краткое описание Люди, страдающие заболеваниями сердца, вынуждены часто, а иногда и постоянно, принимать...
Теория Пилотная волна — Pilot wave theory
Пси волны РЕЧЬ это звуки порожденные мыслью. Уже прошло более ста лет, как в мозгу человека обнаружены так называемая «зона...
Adblock detector