Датчик холла принцип работы и его типы

Как проверить датчик Холла

Проверка датчика Холла возможна при помощи стандартных функций смартфона, которые используют сенсор. Данный оператор выходит из строя крайне редко, поэтому проверка сводится к обнаружению, встроен ли он в смартфон или нет.

Если телефон уже у вас на руках, то достаточно поднести магнит к экрану, при наличии контроллера, он должен погаснуть. Причем достаточно даже небольшого кусочка магнита. Если убрать его, экран снова должен заработать. В период прикасания магнитом устройство можно стандартно разблокировать через кнопку.

Самый простой способ достичь цели, если доступа к устройству нет – это посмотреть описание смартфона, в параметрах «Датчики» или «Другое» должна быть соответствующая строка. Информация доступна на бесплатных интернет ресурсах или на официальном сайте. Также можно изучить бумажную документацию. К сожалению, не всегда указываются полные характеристики смартфона и записи о датчике может просто не быть, так как устройство является второстепенным. Наиболее полная информация доступна в электронной документации от производителя, её можно загрузить на официальном сайте.

Дополнительно удостовериться в наличии или отсутствии датчика можно при помощи следующих методов:

На практике использование сенсора может быть удобным благодаря магнитным-чехлам. По внешнему виду чехол не имеет значительных отличий, но в нём встроен магнит. При открытии верхней крышки экран активируется, при закрытии блокируется. Если на смартфоне нужно выполнить пару простых действий, можно даже не открывать чехол, при наличии нём окошка, а достаточно просто нажать на кнопку блокировки и 2 раза тапнуть по дисплею.

Стоит учесть, что частое использование датчика Холла приводит к быстрой потере заряда, поэтому предпочтительно ограничить работу и лишний раз предотвратить его активацию.

Эффект Холла

Дело было еще в 19-ом веке. Американский физик Эдвин Холл обнаружил очень странный эффект. Он взял пластинку золота и стал пропускать через неё постоянный ток. На рисунке эту пластинку я пометил гранями ABCD.

Он пропускал постоянный ток через грани D и B. Потом поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и обнаружил напряжение на гранях А и C!  Этот эффект и был назван в честь этого великого ученого. Основной физический принцип данного эффекта был основан на силе Лоренца. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, стали называть датчиками Холла.

Но здесь один маленький нюанс. Дело в том, что напряжение Холла даже при самой большой напряженности магнитного поля будет какие-то микровольты. Согласитесь, это очень мало. Поэтому, помимо самой пластинки в датчик Холла устанавливают усилители постоянного тока, логические схемы переключения, регулятор напряжения а также триггер Шмитта. В самом простом переключающем датчике Холла все это выглядит примерно вот так:
где

Supply Voltage — напряжение питания датчика

Ground — земля

Voltage Regulator — регулятор напряжения

А — операционный усилитель

Hall Sensor — собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch — выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Устранение неисправностей

Ремонт рассмотрен на примере автомобиля Фольксваген.

Для восстановления работоспособности датчик можно отремонтировать:

1. Для возобновления работы контроллера необходимо заменить логический компонент. Для этого заранее надо приобрести устройство S441А.
2. В центральной части корпуса датчика, как показано на фото, с помощью дрели просверливается небольшое отверстие. Для этого потребуется качественное сверло, поскольку внутри контроллера, за пластиковой частью, имеется металлический каркас.
3. Используя канцелярский нож, необходимо срезать каждый проводник. Затем прокладываются канавки от сделанного отверстия с помощью надфиля к остаткам кабелей.
4. Само измерительное устройство монтируется в окошко корпуса. Для диагностики используется магнит. Если приложить этот элемент к контактам, на которые заранее подключен прибор, состоящий из диодной лампочки и резистора. Такое устройство использовалось для диагностики. В результате проверки лампа должна загореться. Если этого не произошло, то надо проверить полярность.
5. Затем делается разводка выводов по канавкам корпуса. В самом окошке необходимо оставить проводники для соединительной колодки нового контроллера. Производится пайка элементов.
6. На завершающем этапе производится проверка выполненных действий. Для этого используется тестер. Визуально необходимо убедиться в целостности всех контактов. Если устройство рабочее, то механизм герметизируется с помощью клея или другого состава, но не пластика. Этот материал может деформироваться при работе в условиях повышенных температур.
7. Выполняется сборка контроллера, все действия осуществляются в обратной последовательности.

Основные сведения

Начнем с базовой информации: где находится датчик Холла, что это такое, для чего он нужен. «Голый» датчик — это небольшой измеритель (сенсор, обнаружитель), почти всегда черный (цвет зависит от предпочтений производителя), размером в несколько миллиметров. Автомобильные изделия имеют сравнительно большой пластиковый защитный короб, «фишку» с кабелем с разъемом подключения.

Сенсор фаз осуществляет мониторинг магнитных полей, их параметров (напряженности), при этом выдает заданные алгоритмы работы (смыкание контактов и пр.).

Рассматриваемым сенсорам присвоили наименование от фамилии ученого Холла, открывшего, что разность потенциалов (холловского напряжения) возникает, если в поле помещают объекты с постоянными токами.

Автомобильный сенсор тока находится в трамблере — узле для подключения свечей, он скрыт пластиковой фишкой с тремя проводами и разъемом под них. На иных приборах он может размещаться где угодно. Обычно на печатных платах — это крошечная черная коробочка стандартно на 3, реже — на 4 ножках. Линейные Hall sensor напоминают микросхему. Изделие также определяют по маркировке, обозначения есть в справочниках радиодеталей, (распространенные S41, 41F, U18, 3144, 44E, 49E).

При токовом течении в одном направлении электроны отклоняются в проводниках, размещенных перпендикулярно к полю. Участки их имеют неравномерную плотность частиц, это и есть разность потенциалов, фиксируемая датчиком Холла. Становится возможным анализ напряжения под прямым углом к току.

Есть также Hall effect sensor упрощенный как, например, в смартфонах: только с функцией подтверждения наличия магнитных явлений, напряженность не анализируется. На базе узла, включающего датчик и магнитомер, телефон снабжается опцией компаса.

Как функционирует

Принцип работы, использования датчика Холла:

• Электроны при прохождении тока движутся по сенсору прямолинейно.
• При воздействии поля частицы с зарядом отклоняются силой Лоренца по изогнутой траектории.
• Отрицательно заряженные элементы, они же электроны, притягиваются на 1 сторону Hall sensor, а плюсовые (дырки) — к иной.
• Описанное накопление по разным сегментам создает разное напряжение, это и есть разность потенциалов. Пропорциональность возникшего напряжения к электротоку и напряженности поля прямая. Эти окончательные явления и отслеживаются сенсором, принцип используется для определения положения подконтрольных им обслуживаемых объектов.

Где применяются

Датчики фаз начали устанавливаться в конструкции около 75 лет после их изобретения, когда появились доступные технологии создания полупроводниковых пленочных материалов.

Характерные области применение датчиков Холла:

• первая область, где началось использование — машиностроение, для замеров углов распредвалов, коленвалов, фиксации искрения на узлах зажигания;
• переключатели (бесконтактного типа), анализаторы уровня веществ, скорости вращения лопастей, приспособления дистанционного обнаружения токов;
• сканирование магнитных обозначений;
• как замена герконам (автоматические выключатели, смыкающие контакты посредством магнита). В этой сфере описываемые устройства наиболее распространенные из-за многочисленности приборов: микроэлектроника, техника от наушников до манипуляторов, клавиатур, в лифтах, охранном оснащении (двери, запорные элементы).

В смартфоне

Датчик холла в смартфоне применяются для таких целей:

• как часть компаса, магнитомера;
• для мониторинга закрытия/открытия чехла с магнитной защелкой отслеживанием ослабления/повышения поля;

Опишем, для чего нужен датчик холла в смартфоне на обложке. При отдалении магнита с обнаружителя идет импульс на активацию табло, когда ближе — на отключение. Разновидность таких чехлов — отдельный вид изделия, именуемый обычно Smart Case. Есть и дополнительные функции, принцип действия их такой: если применяется обложка без окошек около дисплея, то посредством обнаружителя отключается экран, когда он закрыт, при открытии — автоматическая активация. При наличии окошек инициируется переключение содержимого на табло. На видимой области — часы и пр., на всем дисплее — вся информация.

Не все смартфоны имею описанное усовершенствование, а также не всегда производители указывают его в перечне опций, поэтому нужно уточнять этот параметр. Но если в рекомендуемых аксессуарах есть отметка о таковых подходящих из категории Smart Case, то данная опция присутствует.

Датчик Холла в телефоне: что это такое

Измерительное устройство названо в честь Эдвина Холла, который в лабораторных условиях изучал свойства электрического поля. Он выявил зависимость тока и магнитного поля. Если не вдаваться в подробности, датчик Холла определяет присутствие магнитного поля. В итоге смартфон взаимодействует с пространством, выполняя функцию компаса или другого измерительного прибора, построенного на основе принципа работы этого датчика.

Первые разработки ученого были использованы в области создания автомобилей (определение угла распредвала) и машиностроения. С развитием технического прогресса, датчик стал применяться в бесконтактных выключателях, для измерения уровня жидкости и т.д.

Зачем датчик холла в смартфоне

В «умной» технике этот прибор используется в составе экранного модуля. При его участии выполняется бесконтактное управление некоторыми функциями телефона. Поскольку датчик занимает много места, то зачастую используются не все его возможности. Большинство флагманских устройств комплектуется этим прибором.

К основным задачам датчика Холла в смартфоне относятся:

• Функция компаса. Благодаря прибору, смартфон может выступать в роли компаса, определяя направление сторон света.

Улучшение геопозиционирования. На основе показателей датчика происходит более точная корректировка положения устройства в пространстве. Кроме того, благодаря ему выполняется быстрый старт GPS модуля.

Взаимодействие с чехлом. Чехол-книжка, в крышку которого вмонтирован магнит, будет сигнализировать смартфону о своем положении. На основе полученной информации происходит автоматическая блокировка и разблокировка устройства.
Определение положения крышки в телефонах-раскладушках.
Улучшение функции автоматического поворота экрана.

Более точная корректировка параметров изображения при съемке (изменение яркости, контрастности).

Экономичная и энергоэффективная конструкция

Благодаря выпуску новейших продуктов Infineon (TLE/TLI496x-xM и TLV496x-xTA/B, рис. 2 и 3) стоимость системы с датчиком Холла может быть снижена за счет уменьшения числа пассивных компонентов схемы защиты, что позволяет уменьшить занимаемую площадь на печатной плате (PCB). При типовом токе потребления 1,6 мА (1,4 мА у 5-В устройств) на коммутаторы Холла приходится лишь около 50% от потребления подобных изделий. Это делает датчики Infineon хорошим выбором для энергосберегающих систем. Благодаря высокой устойчивости к статическому электричеству и точным, стабильным магнитным порогам переключения, новые экономичные датчики подходят для большинства высокоточных и надежных приложений.

Рис. 2. Семейство прецизионных датчиков Холла TLE/TLI496x-xM в первую очередь ориентировано на малобюджетные 5-В автомобильные и промышленные применения

Рис. 3. Сенсоры TLV496x-xTA/B Hall обеспечивают простоту применения в малобюджетных потребительских системах бесконтактного позиционирования

Благодаря усовершенствованным характеристикам включения, перезагрузки и выключения, а также наличию полного спектра функций защиты применение коммутаторов Холла улучшает качество системы и ее безопасность, расширяет возможности мониторинга. Интегральные коммутаторы Холла обеспечивают заданный, фиксированный выходной сигнал в процессе запуска. Это предотвращает передачу некорректной информации на микроконтроллер и его неверное истолкование (рис. 4). Таким образом, упрощается контроль системы пользователем и повышается ее производительность. Кроме того, благодаря заданной процедуре запуска достигается и определенное поведение при отключении, что позволяет предотвратить неконтролируемый емкостной разряд выходов схемы. Эта особенность также может быть использована во время включения для проверки функционирования датчика.

Рис. 4. Заданное поведение при запуске новых датчиков Холла предотвращает генерацию ложных сигналов и позволяет снизить стоимость схемы управления

Как на Алиэкспресс найти и заказать нужные датчики по сходной цене и бесплатной доставкой

1. Далее нужно заполнить адрес доставки. Делается это в своем профиле и обязательно латинскими символами.

2. Слева, возле графы «Категории», нажимаем на ссылку «Смотреть все».

3. Выбираем категорию «Автомобили и мотоциклы».

4. Затем нажимаем на ссылку «Запчасти для авто».

5. В левой части страницы выбираем категорию «Датчики».

6. В поисковой строке вводим название требуемого датчика, к примеру датчик скорости.

7. Ставим галочку напротив бесплатной доставки.

8. Выбираем сортировку результатов по рейтингу продавца.

9. Переходим на страницу описания товара, где выбираем количество, размер и цвет.

10. Нажимаем на ссылку «Купить сейчас».

11. Производим оплату заказа.

Аналоговые/пропорциональные датчики для повышения стабильности и точности

Аналоговые измерительные приложения позволяют конечному пользователю мгновенно получать обратную связь о положении магнита. Аналоговый датчик Холла обладает высокоточным выходным сигналом с высоким разрешением.

Ранее аналоговые датчики Холла измеряли у магнитов плотность потока и в значительной степени зависели от внешней температуры. Так как в последние годы аналоговые технологии эффекта Холла развивались, теперь, вместо традиционной амплитуды поля, микросхема с датчиком Холла теперь измеряет угол поля, делая его намного менее чувствительным к изменениям температуры. Это улучшение позволяет датчику обеспечивать более стабильный аналоговый выходной сигнал в широком диапазоне температур.

Рассмотрим два типа датчиков Холла, которые могут быть выбраны для аналоговых измерительных схем:

Поворотный датчик Холла: преимущества и применение

Этот полупроводниковый датчик изменяет выходное напряжение при изменении магнитного поля. Он сочетает в себе измерительный элемента на основе эффекта Холла и электрическую схему, обеспечивающую аналоговый выходной сигнал, который соответствует изменению вращающегося магнитного поля без использования каких-либо движущихся частей. Этот датчик предлагает два варианта выходного сигнала: аналоговый или широтно-импульсно-модулированный (ШИМ). Устройство программируется таким образом, чтобы инженер мог связать определенное выходное напряжение или ШИМ сигнал с точной степенью поворота. При повороте до 360° доступны несколько точек программирования. Каждая программируемая точка представляет собой напряжение или ШИМ сигнал, который соответствует заданному углу магнитного поля. Это приводит к получению выходного сигнала, пропорционального углу поворота.

В отличие от механического и резистивно-плёночного поворотных устройств поворотный датчик Холла не испытывает механического износа или изменения значений сопротивления. Кроме того, он очень стабилен при нормальных рабочих температурах вплоть до +105°C. Результаты измерения угла поворота в диапазоне 0°–360° точно калибруются в соответствующем диапазоне выходного постоянного напряжения 0,5В–4,5В или коэффициента заполнения ШИМ сигнала 10–90%.

Поворотные датчики Холла становятся очень популярными для замены механических резистивно-пленочных потенциометров. Они используются в автомобильных и внедорожных приложениях, таких как определение положения клапана EGR в двигателях. Эти датчики также могут использоваться для определения положения поворотных ручек в приборах и бытовой технике.

Рисунок 3 – Поворотный датчик Холла, используемый в поворотной ручке стиральной машины

Линейный датчик Холла: преимущества и применение

Линейные датчики Холла похожи на поворотные датчики Холла, за исключением того, что они измеряют не угловое, а линейное движение магнитного поля. Датчик Холла программируется для выдачи заданного напряжения, пропорционального заданному расстоянию. Типы выходного сигнала у него такие же, как и у поворотного датчика Холла. Датчик измеряет линейное перемещение и относительный угол потока магнитного привода на расстоянии до 30 мм на каждую микросхему с датчиком Холла. Это дает в результате выходной сигнал, точно пропорциональный перемещению датчика.

Перед программированием выходных напряжений или значений ШИМ-сигнала, соответствующих относительному значению магнитного поля от магнита на приводе, датчик и привод могут быть помещены на место окончательного монтажа в устройстве, чтобы в процессе программирования учесть все магнитные воздействия от близлежащего окружения. Это позволит инженеру отрегулировать выходной сигнал датчика, поскольку в процессе программирования будут учтены любые шунтирующие, механические воздействия и воздействия посторонних магнитных полей.

Линейные датчики Холла часто используются в качестве датчиков контроля уровня жидкости. В этом применении датчик определяет положение движущегося поплавка с прикрепленным магнитом. Линейные датчики также полезны в более сложных конструкциях, таких как автомобильная коробка передач.

Общая информация о датчике Холла

Во второй половине XIX в. Эдвин Холл проводил опыты с помещением металлических прямоугольных пластин, находящихся под постоянным напряжением, в магнитное поле. При прохождении потока и подаче питания в прямоугольном элементе возникала разность потенциалов, направленная под прямым углом к внешнему возмущающему воздействию.

Генерируемое напряжение оказывалось пропорционально интенсивности потока и силе пропускаемого тока. Эффект был назван по фамилии ученого, а впоследствии стал использоваться в датчиках Холла.

Принцип работы

В конструкцию датчика для машины входят постоянный магнит и микросхема с поддержкой эффекта Холла. Элементы установлены с воздушным зазором, в котором вращается металлический диск с выступами и впадинами. Поверхность обеспечивает периодическое экранирование потока. Сигнал от чипа подается на усилитель, а затем используется для работы системы зажигания или блока управления впрыском бензина.

Сферы применения

Изделия применяются для:

• определения положения коленчатого и распредвалов;
• фиксации вибрационных или ударных нагрузок;
• расчета частоты вращения или угла поворота исполнительного привода в оборудовании (например, в бесколлекторных электродвигателях).

Изделия применяются для фиксации нагрузок.

Цифровые датчики: высокая надежность в дискретных приложениях

Во многих приложениях используется цифровой выход для определения, находится ли объект в определенной позиции. Например, датчик может быть использован для проверки наличия защитного ограждения на механизме. Если ограждение находится на своем месте, машина работает. Если же это не так, машина работать не будет. В этом типе дискретного приложения требуется цифровой выход. В приложениях с магнитными датчиками исключительную надежность обеспечивают следующие цифровые датчики:

Герконовые датчики: преимущества и применение

Герконовый датчик представляет собой электрический ключ, который для работы не требует питания, в отличие от интегральной схемы. Выводы заводятся в герметизированную стеклянную колбу, в которой находятся контактные пластины. В результате ключ в герконе обладает высокой надежностью, поскольку он не подвержен влиянию влаги или других факторов окружающей среды. Поэтому контакты не будут окисляться и с нагрузками логического уровня будут продолжать работать в течение миллионов циклов.

Герконовые датчики очень популярны среди приложения с питанием от батареи. Они используются в автомобильных составляющих безопасности, например, обнаружение защелкивания застежки ремня безопасности и обнаружение столкновения. Поскольку герконы могут переключать нагрузки и постоянного, и переменного напряжения, их часто выбирают для цифровых приложений типа «вкл/выкл», например, детектирование закрытия/открытия двери в системах безопасности и в бытовой технике.

Например, дверь холодильника использует геркон для определения закрытия двери. Магнит крепится к двери, а герконовый датчик закрепляется на неподвижной раме, скрытой за внешней стенкой холодильника. Когда дверь открыта, герконовый датчик не может обнаружить магнитное поле, что заставляет включиться светодиодную лампу. Когда дверь закрывается, датчик обнаруживает соответствующее магнитное поле, и светодиод выключается. В этом приложении микроконтроллер внутри блока управления получает сигнал от геркона, а затем включает или выключает светодиод.

Рисунок 1 – Геркон в двери холодильника используется для включения и выключения светодиода

Цифровые датчики Холла: преимущества и применение

Цифровые датчики Холла используют полупроводниковые приборы и их выходное напряжение изменяется в зависимости от изменения магнитного поля. Эти датчики объединяют в семе чувствительный элемент с эффектом Холла и электрическую схему, обеспечивающую цифровой выходной сигнал типа «вкл/выкл», что соответствует изменению магнитного поля без использования каких-либо движущихся частей. Использование датчика на основе эффекта Холла ограничено приложениями с низкими постоянными напряжением и током. В отличие от геркона, устройство на основе эффекта Холла содержит в себе активную схему, поэтому оно потребляет небольшое количество тока в любое время.

Цифровые датчики Холла обеспечивают высокую надежность и для точных требований к измерениям могут быть запрограммированы на активацию при заданной величине магнитного поля.

Эти датчики очень популярны в высокоскоростных измерительных схемах таких бытовых машин, как стиральные машины и сушилки. В этом применении вращающийся 16-полюсный кольцевой магнит активирует чип датчика Холла при каждом прохождении красного (северный полюс) сегмента и деактивирует его при каждом прохождении белого (южный полюс) сегмента, что дает очень точный сигнал, соответствующий скорости. Цифровые датчики Холла особенно полезны в автомобильных приложениях безопасности, таких как определение защелкивания застежки ремня безопасности и определение скорости зубчатой передачи.

Рисунок 2 – Схема применения датчика Холла для измерения скорости

Достоинства и недостатки

Плюсы:

• универсальность (одновременно определяют положение, направление и так далее);
• износостойкость. Нет движущихся узлов, это твердотельные прочные устройства, что обеспечивает чрезвычайную долговечность;
• почти полная независимость от необходимости обслуживания;
• датчик тока на эффекте Холла работает при вибрациях, в пыльных, влажных, агрессивных условиях, при высоких температурах.

Минусы:

• у стандартных приборов максимум расстояния до замеряемого тока около 10 см. Но все зависит от магнита: если он мощный и создает широкое поле, то дистанция увеличивается;
• характерная «болезнь» — точность, поскольку есть зависимость от магнитного поля, и другие внешние подобные явления могут вносить искажения. Это же касается высоких температур, так как они меняют сопротивление проводников, соответственно, и подвижность носителей заряда, но тут страдает чувствительность. Впрочем, такое встречается редко или влияние ничтожное, в целом не особо влияет на работу.