Что такое датчик Холла в автомобиле

Когда американский физик Эдвин Холл открывал свой эффект взаимодействия электрического тока с магнитным полем, у него и в мыслях не было, что чаще всего его фамилия станет употребляться на автомобильных рынках в России. Удивительно, но факт — самые разные люди, весьма далёкие от физики, понятия не имеющие кто такой Холл, знают, что такое датчик Холла в автомобиле, и даже одно время страдали от их дефицита.

Датчик Холла: устройство и принцип работы

В чём проявляется эффект Холла, и как это можно использовать в технике

Магнитное поле широко используется в автомобильной технике, несмотря на свою невидимость и неосязаемость. Даже свет, состоящий из электрических и магнитных полей, воспринимается благодаря своей электрической составляющей. Тем не менее, с помощью специальных магниточувствительных датчиков поле можно зафиксировать и даже измерить.

В основу одного из таких датчиков лёг эффект Холла, заключающийся в появлении поперечной разницы потенциалов на кристалле полупроводника, вдоль которого течёт ток. Образуется она только при помещении кристалла в магнитное поле, всё прочее пластину легированного кремния не поляризует. Это напряжение и подлежит фиксации, означая, что датчик попал в зону действия магнитного поля.

Собственно, всего этого недостаточно для использования кристалла в качестве датчика. Магнитное поле присутствует везде, надо определить его превышение над естественным фоном и помехами. Для этого к пластине подключается усилитель слабого сигнала и регулируемый пороговый элемент (компаратор). Вся схема выдаёт на выходе логический «0» по электрическому уровню, если поле есть, и логическую единицу во всех прочих случаях. Такая негативная логика обычно принята в цифровой технике. А чтобы в момент смены сигнала не наблюдалась «болтанка» выхода из-за неопределённости, устройство снабжается триггером Шмитта. Это такая схема, которая обеспечивает амплитудное запаздывание срабатывания (гистерезис), защищая от цифрового дребезга и помех в момент переключения, гарантируя одиночный крутой фронт сигнала и однозначность привязки во времени.

Устройство и принцип действия датчика

Если бы всё перечисленное выполнялось на дискретных элементах, то датчик был бы размером с магнитолу, столько же стоил, работал ненадёжно и потреблял много электроэнергии. В реальности всё устройство датчика Холла выполняется методами интегральной микроэлектроники всё на том же полупроводниковом кристалле, который с лёгкой руки деятелей из Кремниевой долины давно уже принято называть чипом.

Сам датчик миниатюрен настолько, что его размерами можно пренебречь на фоне габаритов корпуса, электрического разъёма, подводящих проводов и вспомогательного постоянного магнита. Кристалл полностью заливается пластмассой для защиты от внешних воздействий, снаружи остаётся только разъём и полюс магнита. В зависимости от назначения, датчик может иметь прорезь, внутри которой будет проходить край задающего синхронизацию реперного диска с пазами.

Принцип работы датчика Холла в автомобилях состоит в том, что при появлении в рабочей зоне изменений магнитного поля, например, прорези реперного диска вместо его цельной части, или ступеньки на шкиве, или метки на фланце распредвала, сигнал на выходе сменит своё значение с нуля на единицу или наоборот. Таким образом, электронный блок, считывающий показания датчика, узнает о наступлении определённого момента во вращении вала, например, верхней мёртвой точки поршня определённого цилиндра или любого его положения относительно этой ВМТ, нужная информация задаётся разработчиками двигателя. Это ложится в основу расчёта блоком управления двигателя таких важных данных, как момент зажигания, периодичность впрыска топлива, порядок открытия форсунок.

Устройство и принцип действия датчика Холла

Разные случаи применения датчиков на эффекте Холла

Впервые такой датчик был использован на автомобилях с карбюраторными двигателями для замены контактов системы зажигания. Потом появились и другие применения магниточувствительных сенсоров.

Датчик Холла в системе зажигания карбюраторного двигателя

Классическая батарейная система зажигания действует по принципу накопления энергии в магнитном поле катушки зажигания за счёт протекания тока по её первичной обмотке с последующим резким разрыванием цепи, что вызывает рост напряжения на вторичной обмотке и искровой разряд в свече. Контакты прерывателя при этом работают в крайне тяжёлых условиях, обгорают, изнашиваются и долго не живут. К тому же их возможности ограничивают рост мощности системы, а значит и работу двигателя с дальнейшим обеднением смеси для экономии горючего.

Проблему частично решило появление электронной бесконтактной системы зажигания с прерывателем на основе датчика Холла (ДХ). Здесь уже нет обгорающих и требующих регулировки зазора контактов, имеется лишь реперный диск, вращающийся в прорези датчика. Пока мимо магнита ДХ проходит цельная стенка диска, коммутатор зажигания, представляющий собой простой усилитель тока, управляемый сигналом ДХ, отдыхает, то есть ждёт момента начала накопления энергии. По переднему фронту прорези выходной ключ коммутатора открывается, начинается накопление энергии в катушке.

Ток увеличивается не до бесконечности. Выйдя на расчётную номинальную величину порядка полутора десятков ампер, он стабилизируется, а в момент появления второго края прорези датчик срабатывает, ключ размыкается, начинается рост напряжения на обмотках катушки вплоть до пробоя искрового зазора.

Датчик Холла здесь полностью оправдывает свои способности, он очень точно и стабильно задаёт моменты срабатывания всех элементов системы, а значит и ровную работу двигателя без пропусков зажигания и детонации. Сам ДХ при этом не изнашивается, служит теоретически вечно, избавляя водителей и ремонтников от всех неприятностей классического контактного прерывателя-распределителя (трамблёра). И только бракованные детали, а также мнительность заставляли людей покупать датчики для проверки и впрок, создавая дефицит, о котором было упомянуто ранее.

В качестве датчика положение коленчатого вала (ДПКВ)

Чаще всего здесь используется простейший и надёжный индуктивный ДПКВ. Это обычная катушка с тонким проводом, намотанная на постоянный магнит. Мимо неё проходит зубчатый венец шкива коленвала, на котором один зубец отсутствует. Выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов переменного тока, один из которых имеет увеличенную длительность и амплитуду. Компьютеру электронного блока управления двигателем (ЭБУ) не составит труда, располагая такой временной диаграммой, привязать все процессы во времени к фазам положения коленвала.

Однако некоторых разработчиков подобная простота не устраивала, возможно, им хотелось большей точности, поэтому в качестве датчика они использовали всё тот же ДХ. Принцип работы здесь такой же, зубцы задающего шкива замыкают и размыкают магнитный поток через датчик, изменяя его выходной цифровой сигнал. Получается последовательность импульсов, по форме несколько другая, но несущая в точности ту же самую информацию и выполняющая те же цели. Это основной и самый главный датчик двигателя, единственный, без которого мотор даже не заведётся, поэтому датчик Холла это то, что здесь нужно, повышенная надёжность тут очень кстати.

Выдача сигналов о положении распределительного вала

Очень хорошо датчику Холла подходит ещё одна работа, для которой он часто используется. Это синхронизация фазированного многоточечного впрыска топлива.

Вообще, системы впрыска могут быть самыми различными:

  • одноточечные, или моновпрыск, не сильно отличается от карбюратора, имеется один центральный модуль, где форсунка распыляет бензин во впускной коллектор, откуда он равномерно, или не очень, всасывается цилиндрами;
  • многоточечный, здесь на каждый цилиндр приходится своя форсунка, срабатывающая после окончания такта выпуска, чтобы подготовить смесь к впуску;
  • многоточечный фазированный, для его реализации как раз и потребуется датчик Холла.

Недостатком обычного впрыска является отсутствие его точной синхронизации с моментом начала впуска в конкретный цилиндр. Дело в том, что информация для ЭБУ приходит с датчика коленвала, а по его положению невозможно точно засечь конкретный такт в цилиндре, ведь полный цикл требует двух оборотов вала, которые с точки зрения ДПКВ абсолютно одинаковые и ничем не различаются. Поэтому впрыск будет происходить два раза за цикл, причём один раз совершенно бесполезно, на закрытый перед рабочим ходом впускной клапан.

Для совершенствования системы был применён датчик положения распредвала, разумеется, на эффекте Холла. Конструкция уже известна, дисковый репер и магнитный ДХ с выходом на ЭБУ. Теперь блок управления точно знает, как отличить ВМТ сжатия от ВМТ выпуска и каждая форсунка откроется строго в нужный момент. У бензина не будет времени, чтобы бесполезно оседать на стенках коллектора.

Как проверяют ДХ при возникновении подозрений

Устройство это очень надёжное, но абсолютной защиты от неисправности не существует. Поэтому иногда приходится проверять и эти датчики.

  1. Самое простое — подменить ДХ на заведомо исправный. Это избавит от возни со щупами, пробниками и осциллографами. А стоит датчик недорого, его всегда полезно иметь в запасе если не для замены, то именно для проверки забарахлившей системы впрыска или зажигания.
  2. Люди, знающие принцип действия датчика Холла, могут проверить его простейшими и не очень приборами. Например, щупом-пробником со светодиодом. Выход датчика представляет собой каскад с открытым коллектором. Это означает, что в положении физического нуля транзистор открыт, и если пробник включён между плюсом питания и выходом ДХ, то индикатор засветится. Перемещая репер перед полюсами датчика, можно заставить его мигать, что почти точно укажет на исправность ДХ и подсоединённых цепей проводки.
  3. Слово «почти» было употреблено в том смысле, что точно убедиться в исправности можно лишь с помощью цифрового запоминающего осциллографа, который имеется у многих диагностов как приставка к ноутбуку. С его применением можно проверить параметр, который недоступен щупам — быстродействие датчика. Фронты напряжения должны быть достаточно крутыми, что осциллограф и покажет. «Заваленный» фронт может оказаться тем самым случаем, когда датчик вроде работает, и пробник или мультиметр это подтверждают, а система сбоит и светит ошибки.

Почти все случаи, поясняющие, что такое датчик Холла в автомобиле, рассмотрены, остаётся упомянуть вполне возможное менее явное присутствие этих небольших приборов в автоэлектронике. Многие машины оснащаются достаточно мощными электродвигателями, где также для работы силовой электроники используются датчики Холла, следящие за положением ротора в магнитном поле. И даже этим, возможно, проникновение ДХ в авто не заканчивается. Компактный, надёжный и точный прибор всегда найдёт себе область работы во всё больше обрастающем электроникой современном автомобиле.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *