Новый датчик угла поворота, использующий эффект Холла для повышения надежности


СОДЕРЖАНИЕ:

Гальваномагнитные эффекты

Эффект Холла, определяется прежде всего с помощью полупроводниковых пластин. Если через такую пластинку, по которой проходит ток, вертикально пропустить магнитную индукцию В, то носители заряда будут отклоняться от прямого пути за счет силы Лоренца вертикально по отношению к полю и к току I на угол ф. Таким образом перпендикулярно направлению тока между двумя крайними противоположными точками пластинки пропорциональное напряжение UH будет сниматься напряжение, пропорциональное полю В и току I (эффект Холла):

UH = RH*I*B/d
mit RH = коэффициент Холла,
d = толщина пластинки

  • а Схема
  • b Процесс создания напряжения Холла UH
  • с Рост сопротивления пластинки R (эффект Гауса)
  • В Магнитная индукция
  • I Ток пластинки
  • IН Ток Холла
  • Iv Питающий ток
  • UR Продольное напряжение
  • а Отклонение электронов за счет магнитного поля

Одновременно продольное сопротивление пластинки увеличивается независимо от направления поля по параболе (эффект Гаусса, магниторезистор).

Коэффициент RH , являющийся определяющим для измерительной чувствительности пластинки, при использовании кремния сравнительно мал. Поскольку толщину пластинки d можно уменьшить с помощью диффузионной технологии, напряжение Холла опять достигнет величины, технически пригодной для использования. Применяя кремний в качестве основного материала, одновременно на пластинку можно интегрировать переключатель для подготовки сигнала, благодаря чему производство таких датчиков может стать очень выгодным.

В отношении измерительной чувствительности и температурного режима кремний является далеко не самым подходящим полупроводниковым материалом для производства датчиков Холла. Лучшими характеристиками обладают, например, полупроводники III-V, такие как арсенид галлия или антимонид индия.

Переключатель Холла

В самом простом случае напряжение Холла подается на пороговую электронику, интегрированную в датчик (Schmitt-Trigger), которая производит цифровой выходной сигнал. Если магнитная индукция В существующая на датчике, находится ниже определенного нижнего порогового параметра, то выходное значение соответствует, например, логическому «О» («release»-состояние); если оно выше определенного верхнего порогового параметра, то выходной сигнал соответствует логической «1» («operate»-состояние). Поскольку такой процесс гарантирован для всего диапазона рабочей температуры и для всех экземпляров одного типа, оба пороговых значения относительно далеки друг от друга. Поэтому для включения переключателя Холла требуется значительный индукционный ход АВ.

  1. Заглушка шириной b
  2. Магнитомягкие проводники
  3. Холл-IC
  4. Воздушный зазор
  5. а Беспрепятственный Магнитный поток
  6. b короткозамкнутый Магнитный поток
  7. U0 Питающее напряжение
  8. Us Напряжение датчика

Такие датчики, производимые еще по биполярной технологии, использовались, например, в заграждениях Холла, которые были встроены в корпус распределителя зажигания, приводящегося в движение распределительным валом. Это заграждение Холла кроме датчика имеет еще постоянные магниты и магнитомягкие проводники. Магнитный контур имеет U-образную или вилкообразную форму, так что благодаря открытому концу можно использовать замыкатель из мягкомагнитного материала, который попеременно экранирует или разблокирует магниты, благодаря чему датчик Холла выполняет переключения между состояниями operate и release. Следующий способ применения — в цифровом датчике угла поворота рулевого колеса LWS1.

Датчики Холла такого типа достаточно недорогие, однако хороши только для переключающего режима работы и слишком неточны для анализа аналоговых величин.

Датчики Холла, работающие по принципу «Spinning Current»

Рис. Датчик Холла, работающий по принципу «Spinning-Current»:

  1. Полупроводниковая пластинка
  2. Активный Электрод
  3. Пассивный Электрод
  4. а Фаза поворота ф1
  5. b Фаза поворота ф2 = ф1 + 45°
  6. I Ток питания
  7. UH Напряжение Холла

Недостатком в простом кремниевом датчике Холла является одновременная чувствительность к механическим напряжениям (пьезоэффект), которые неизбежны при сборке и приводят к нежелательным температурным смещениям характеристик. Используя принцип «Spinning Current», в сочетании с переходом к технологии CMOS, этот недостаток удалось преодолеть. Хотя пьезоэффект и появляется, он компенсируется временным усреднением сигнала, поскольку появляется при быстрой, регулируемой электронным способом смене электродов (ротации) с различными знаками. Если есть необходимость в экономии трудозатрат на изготовление сложной электроники для переключения электродов, можно интегрировать несколько датчиков Холла (два, четыре или восемь) с соответственно разными направлениями тока, расположив их близко друг к другу, а их сигналы суммировать в контексте сообщения. Принцип Hall-ICs очень хорошо подходит для использования в аналоговых датчиках. Температурные воздействия, оказывающие частично отрицательное влияние на измерительную чувствительность не уменьшаются за счет этого.

Такие интегрированные Hall-ICs подходят преимущественно для измерения малых отрезков, в ходе которого они считывают изменяющиеся показания напряженности поля аппроксимирующего постоянного магнита (например, датчик усилия iBolt, он считывает показания веса пассажира на переднем сидении для оптимального срабатывания подушки безопасности). Подобные хорошие результаты до сих пор были получены только благодаря использованию отдельных элементов Холла, например, сочетания соединений III-V с гибридным последовательно включенным усилителем (например, датчики ускорения Холла).

Дифференциальные датчики Холла

Рис. Дифференциальный датчик Холла:

  1. Зубчатый венец
  2. Дифференциальный IС Холла
  3. Гомогенизирующая пластина (мягкое железо)
  4. Постоянный магнит
  5. а Конструкция
  6. b Движение поля (1,5-кратное инкрементное расстояние)
  7. с Движение сигнала для ширина воздушного зазора L

В двойном датчике Холла (дифференциальный датчик Холла) на определенном расстоянии на чипе расположены две полноценные системы Холла. Электроника определяет разницу обоих напряжений Холла. Эти датчики обладают преимуществом, которое состоит в том, что их выходной сигнал не зависит от абсолютного значения магнитной напряженности поля, и они определяют только пространственные изменения магнитной индукции как: дифференциальный датчик, т.е. градиенты поля (поэтому они также часто называются градиентными зондами).

Такие датчики в большинстве случаев используются для измерения числа оборотов, поскольку полярность их выходного сигнала не зависит от воздушного зазора между ротором и датчиком. Если для сканирования зубчатого колеса используется только один простой датчик Холла, он не может распознать, изменяется ли магнитный поток за счет продолжения вращения зубчатого колеса или за счет изменения расстояния (например, вибраций, монтажных допусков). Это приводит к серьезным ошибкам сканирования, поскольку сигнал должен подводиться к детектору порогового значения. У дифференциальных датчиков принцип работы другой. Они оценивают только разницу сигналов двух расположенных на нужном расстоянии друг от друга датчиков Холла. Если разница сигналов, например, положительная, расстояние между зубчатым колесом и датчиком можно изменять как угодно; разница будет оставаться положительной, если, даже в сумме она станет меньше. Знак может измениться только в случае продолжения вращения ротора. Последовательно подключенный детектор порогового значения также не имеет проблем с определением изменения расстояния и вращением.

Для достижения максимального выходного сигнала выбирают расстояние между двумя — зачастую установленных по краям (продольно) чипа — датчиков Холла, составляющее около половины инкрементного расстояния (расстояние между зубьями). Этот максимум сигнала очень широкий, т.е. он покрывает широкий диапазон вибрации инкрементного расстояния.

Большие отклонения от инкрементного расстояния требуют более сложного изменения конструкции датчика. В качестве градиентного зонда датчик нельзя устанавливать в произвольном положении, он должен максимально точно устанавливаться в направлении вращения инкрементного ротора.

Угловые датчики Холла в диапазоне до 180°

Рис. Аналоговый угловой датчик Холла (мобильный магнит). Линейная графическая характеристика угла до 180°:

  1. Обратное замыкание железа (мягкая сталь)
  2. Статор (мягкая сталь)
  3. Ротор (перманентный магнит)
  4. Воздушный зазор
  5. Датчик Холла
  6. а Положение а
  7. b Положение b
  8. с Выходной сигнал
  9. Ф Угол поворота

С помощью вращающегося магнитного кольца («Movable Magnet»), а также нескольких стационарных магнитомягких проводников можно получить прямой линейный выходной сигнал для углов большего диапазона. При этом двухфазное поле магнитного кольца проводится через датчик Холла, расположенный между полукруглыми проводниками с прямой проводимостью. Эффективный магнитный поток, проходящий через датчик Холла, зависит от угла поворота ф.

Этот принцип применяется в датчиках педали газа.

Производную форму основного принципа «подвижного магнита» представляет собой угловой датчик Холла типа ARS1 с измерительным диапазоном 90°. Магнитный поток постоянно намагниченного диска полукруглой формы отводится к магниту через полюсный башмак, два проводника с прямой проводимостью и ферромагнитную ось. При этом в зависимости от положения угла поток проводится в большей или меньшей степени через оба проводника с прямой проводимостью, в магнитном пути которых также находится датчик Холла.

Рис. Угловой датчик Холла ASR 1 (мобильный магнит). Линейная графическая характеристика для угла до 90°:

  1. Роторный диск (постоянно магнитный)
  2. полюсный башмак
  3. Проводник с прямой проводимостью
  4. Воздушный зазор
  5. Датчик Холла
  6. Ось (магнитомягкий)
  7. а Конструкция
  8. b Графическая характеристика в рабочем диапазоне А

Таким образом магнитный диапазон позволяет достичь линейной характеристики. При упрощенном расположении в модели типа ARS2 отсутствуют магнитомягкие проводники. Здесь магнит движется по дуге окружности вокруг датчика Холла. Образующийся при этом синусоидальный ход графической характеристики только на относительно коротком отрезке имеет хорошую линейность. Если датчик Холла расположен немного за пределами середины круга, характеристика значительно отклоняется от синусоидальной формы.

Рис. Угловой датчик Холла ASR2 (мобильный магнит). Линейный график для угла более 180°:

  1. IС Холла, расположен в центре круговой направляющей
  2. IС Холла, смещен от центра (линеаризация)
  3. Магнит
  4. а Принцип
  5. b Графическая характеристика

Она демонстрирует только короткий измерительный диапазон 90° и длинный отрезок с хорошей линейностью чуть более 180°. Недостатком является незначительное экранирование от посторонних полей, остающаяся зависимость от геометрических допусков магнитного контура и колебания интенсивности магнитного потока в постоянных магнитах в зависимости от температуры и старения.

Угловые датчики в диапазоне до 360°

Рис. Аналоговый датчик Холла для угла 360°:

  1. Сигнальная электроника
  2. Распределительный вал
  3. Управляющий магнит
  4. а Конструкция дискретного IС Холла
  5. b Конструкция из планарного интегрированного IС Холла
  6. В Индукция
  7. I Ток
  8. U Spannung
  9. UA Напряжение
  10. Ф Выходное напряжение

Аналоговый угловой датчик с диапазоном измерений до 360° означает, что постоянный магнит вращается, как изображено, над ортогональным расположением двух датчиков Холла. Чтобы не слишком зависеть от допуска положения магнита, магнит должен быть достаточно большим. При этом оба датчика Холла должны быть расположены максимально близко друг к другу в части того же направления постоянного магнитного поля рассеяния, которое отображает положение угла ф постоянного магнита. Они направлены под прямым углом относительно друг друга и параллельно оси вращения постоянного магнита, таким образом считывают показания компонентов х- и у- вектора напряженности поля В, вращающегося над ними:

На основании этих двух сигналов можно рассчитать угол ф по тригонометрическому соотношению ф = arctg (UH1/UH2) в чипе для обработки данных, который можно приобрести в продаже и с помощью которого оцифровывается сигнал.

Такое расположение датчика Холла позволяет осуществлять интеграцию с вертикальными устройствами Холла (Vertical Hall Devices) в таком виде, как изображено на рисунке, так, чтобы площадь сенсорного чипа располагалась вертикально по отношению к оси вращения, а датчик, в отличие от обычного, планарного датчика Холла, обладал чувствительностью в плоскости вращения. Монолитная интеграция гарантирует высокую точность необходимого расположения под прямым углом, а также желаемую компактную конструкцию обеих систем Холла. Компания «Sentron» («Melexis»), Швейцария работает над созданием таких датчиков и в будущем представит их на рынке. Угловые датчики такого типа рассматривались, например, для реализации пусковых систем мгновенного старта, в которых абсолютного положение вращения распределительного вала должно измеряться в диапазоне 360°.

Рис. Вертикальное устройство Холла в поперечном разрезе: Потоки I, направленные внутрь чипа, отклоняются за счет сил Лоренца по причине магнитной индукции В, направленной параллельно поверхности чипа, таким образом, что между поверхностными электродами А и А’ снимается напряжение Холла UH

В принципе, существует еще один способ, с помощью которого обычному планарному датчику Холла (дополнительно) можно придать чувствительность в плоскости вращения. При методе, используемом компанией Melexis-Sentron (например, тип 2SA-10) для измерения компонентов поля, появляющиеся в плоскости вращения Вх и Ву на одинаковом чипе вместе с четырьмя датчиками Холла, смещенными по отношению друг к другу на 90°, располагаются на узкой окружности. При этом каждый датчик состоит по указанным выше причинам из пары элементов Холла, повернутых на 90°. После завершения изготовления чипа на его поверхность устанавливается круглый диск из магнитомягкого материала с диаметром ок. 200 мкм, как: показано на рисунке таким образом, чтобы датчики Холла четко попали под край диска.

Рис. Комплект 4×2 планарных датчиков Холла с IMC: IMC — интегрированный магнитный концентратор. Элементы Холла расположены на чипе попарно под углом 90° друг к другу прямо под краем маленькой ферромагнитной шайбы. Благодаря их присутствию магнитная индукция B2 параллельная поверхности чипа преобразуется в магнитную индукцию В1, перпендикулярную его поверхности, для того, чтобы быть распознанной датчиками Холла

На основании их высокой относительной магнитной проницательности этот диск действует как: концентратор потока (IMC, встроенный магнитный концентратор) и вынуждает все линии поля вертикально входить в его поверхность. За счет этого линии поля, проходящие горизонтально без концентратора потока (в плоскости вращения) в месте расположения датчиков Холла., вынужденно направляются в вертикальном направлении (вне плоскости вращения) и поэтому могут модулировать элементы Холла. Поскольку элементы, расположенные диагонально друг к другу, «видят» противоположные направления поля, то для. считывания одного компонента поля будет определяться разница обеих противоположных одинаковых напряжений Холла. Одновременно за счет этого существующие вертикальные компоненты Bz взаимно устраняют свой эффект.

За счет дополнительного анализа суммарных сигналов элементов, расположенных по диагонали друг к другу, можно определить также параметры вертикальных компонентов поля Bz; поскольку на них ферромагнитный диск не оказывает воздействия, и элементы из-за их расположения не утрачивают свою обычную чувствительность вне плоскости вращения. Таким образом, благодаря такому расположению индукционный вектор В, действующий в месте расположения датчика, считывается во всех трех компонентах. Электронные переключающие средства, необходимые для анализа сигнала, вкмочая цифровой сигнальный процессор, который используется для расчета функции арктангенса, базирующийся на базе микроконтроллера (DSP), и средства, необходимые для конечной корректировки датчика (EEPROM), могут быть интегрированы вместе с датчиком на тот же чип без особых затрат.

Для измерения углов до 360° достаточно, чтобы над чипом датчика с интегрированным анализатором сигнала вращался постоянный магнит, преимущественно круглой формы, намагниченный параллельно чипу. Поскольку угол поворота образуется с помощью функции арктангенса из соотношения обоих возникающих синусоидальных и косинусоидальных сигналов датчика, интенсивность магнитного поля, а стало быть, и старение магнита, его температурная зависимость и расстояние до поверхности датчика не играют никакой роли. Датчик определяет только положение вращения своего возбуждения.

Рис. Измерение угла больше 360° с помощью четверного датчика Холла: Измерение угла в конце вала вращения с помощью четверного датчика Холла фирмы Melexis, в состав которого входит интегрированный концентратор потока (IMC) для переключения поля.

  • а Измерительное устройство
  • b Первичные выходные сигналы

Максимальная собственная погрешность датчика указана производителем в диапазоне 360° в размере + 2°. Ее можно уменьшить при калибровке датчика пользователем. В этом случае точность цифрового выхода составит 10 бит при разрешающей способности 12 бит. На основании времени обработки сигнала процессором кратчайшая частота дискретизации для частоты такта 20 МГц составляет 200 мкс. Выход сигнала, модулированный частотой пульсации, можно использовать при максимум 1 кГц. Для инициализации датчику требуется 15 мс. Стандартный параметр силы электромагнитного поля составляет ок. 40 mТ. При плотности потока выше 0,7 Т пластинка концентратора переходит в состояние насыщения.

Датчик преимущественно можно программировать также для любого диапазона измерений

Эффект Холла и его использование для построения датчиков

Преобразователь, использующий эффект Холла, является преобразователем, базирующимся на магнитных эффектах, и применяется для измерения напряженности магнитного поля. Подобные датчики относятся к генераторным (активным), иными словами, они сами вырабатывают электрическое напряжение, однозначно определяющее характеристики измеряемого магнитного поля. Эффект Холла в разной степени имеет место у всех материалов. Практически же промышленные преобразователи реализуют на базе полупроводников. Сущность эффекта Холла показана на рис. 3.5.

Если пластина полупроводника единичной толщины помещается в магнитное поле с напряженностью В, а вдоль нее течет ток величиной I и при этом вектор напряженности электрического поля составляет прямой угол с вектором напряженности магнитного поля, то на движущиеся внутри этой полупроводниковой пластины носители заряда (электроны и ионы), образующие электрический ток, будет действовать сила, направленная вдоль плоскости их движения и перпендикулярная вектору напряженности магнитного поля. Это значит, что движение носителей заряда будет отклоняться от прямолинейного и на боковых гранях пластины возникнет разность потенциалов Uoi определяемая выражением:

Рис. 3.5. Принцип действия преобразователей, основанных на эффекте Холла

где Кн постоянная Холла, которая зависит от концентрации свободных носителей заряда в материале пластины. Ясно также, что для того чтобы эффект Холла проявлялся в наибольшей степени, толщина пластины преобразователя должна быть наименьшей.

В качестве полупроводниковых материалов для пластин датчиков, использующих эффект Холла, применяются обычно арсенид индия и фосфид-арсенид индия. Фосфид-арсенид индия используется при высоких температурах.

Существует три способа изготовления полупроводниковых пластин датчиков, использующих эффект Холла.


  • 1. Пластина полупроводника отрезается от исходного куска материала, а затем травится до толщины 5. 100мкм. Затем ее приклеивают к подложке эпоксидной или полиэфирной смолой, которые хорошо заполняют трещины и обеспечивают хороший теплоотвод.
  • 2. Полупроводниковый материал из паров осаждается на подложку, образуя слой толщиной 2. 3 мкм. Такой способ получения тонких полупроводниковых пластин заданной конфигурации и на требуемой подложке применяется при изготовлении преобразователей, которые предназначены для эксплуатации при особо низких или особо высоких температурах.
  • 3. Слой полупроводникового материала выращивается методом эпитаксии из газовой фазы на подложке, изготавливаемой из полуизолятора, чаще всего из арсенида галлия. Преобразователи, изготовленные таким способом, имеют высокую стабильность и используются для прецизионных измерений.

Подложка для преобразователей, основанных на эффекте Холла, должна при малой толщине иметь высокую жесткость, обладать хорошей теплопроводностью и высоким удельным сопротивлением. Температурные коэффициенты линейного расширения материалов полупроводниковой пластины и подложки должны быть примерно одинаковы.

Наиболее широко преобразователи, основанные на эффекте Холла, используются для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей, а также для определения характеристик ферромагнитных материалов.

Такие преобразователи применяют также для измерения других физических величин, изменение которых легко преобразуется в изменение магнитной индукции. С их помощью можно измерять угловые и линейные перемещения, электрические токи и др.

Подключение как преобразователей, использующих эффект Холла, так и других датчиков к измерительной схеме целесообразно осуществлять с помощью бифилярной обмотки, обладающей небольшими значениями собственной емкости и индуктивности.

Пример использования эффекта Холла для построения датчика давления представлен на рис. 3.6.

На рис. 3.6, а приведена принципиальная конструктивная схема датчика давления на основе эффекта Холла.

При повышении давления Р постоянный магнит 2, размещенный на упругой мембране 1 датчика, перемещается относительно чувствительного элемента 2, основанного на эффекте Холла. В результате на обкладках датчика возникает выходное напряжение UH порядка 0,5 В, в определенных пределах пропорциональное входному перемещению.

Линейная часть статической характеристики датчика показана на рис. 3.6, б.

Рис. 3.6. Датчик давления, основанный на эффекте Холла

Руководство по применению датчиков Холла и герконов

В предыдущей статье обсуждалась важность фокусирования на всей конструкции системы, а не на конкретном компоненте магнитной схемы. В тех системах, где требуются специальные датчики, необходимо, чтобы конструктор определил факторы окружающей среды, механического воздействия, электрические и магнитные параметры всей системы, чтобы можно было выбрать датчик, который соответствует этим условиям эксплуатации.

Как уже упоминалось в первой статье, между разработчиком, производителем и потребителем должна поддерживаться четкая и прямая связь, чтобы рабочие требования ко всем датчикам и системе в целом могли быть четко определены и были понятны всем вовлеченным сторонам. Без такой постоянной связи мало шансов, что будет спроектирована надежная система, которая будет функционировать как нужно. И, наоборот, при хорошей коммуникации в проектной группе на протяжении всего процесса может быть разработана надежная схема, которая соответствует всем известным требованиям.

В этой статье будет рассмотрен вопрос, как выбрать технологии магнитных датчиков для аналоговых и цифровых приложений. В ней также определяются и описываются преимущества герконовых датчиков и датчиков Холла с приведением примеров приложений с микропроцессорным управлением, которые используют эти датчики.

Каждый электрик должен знать:  Влияние превышения температуры проводника на старение изоляции

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

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.

Заключение

Данная статья объясняет методологию разработки оптимальной магнитной цепи, для которой требуется настраиваемый датчик. Всегда важно определять параметры проекта всей системы до начала процесса проектирования.

В схемах, где требуются специальные датчики, например, приложения со сложным микропроцессорным управлением, герконовые датчики и датчики Холла обеспечивают бесконтактную технологию, которая является высоко повторяемой и надежной. Цифровой выходной сигнал доступен и у герконов, и у датчиков Холла, и эта технология широко используется в бытовой и автомобильной технике. Аналогично, оба этих типа датчиков могут быть разработаны для использования в аналоговых приложениях, где требуется высокий уровень точности и стабильности.

Датчики углового положения коленчатого вала двигателя

Читайте также:

  1. Анализ положения товаров на рынках сбыта.
  2. АПР военного положения.
  3. АПР особого положения.
  4. АПР чрезвычайного положения.
  5. Базовые предположения
  6. Влияние взаимного положения спутников на точность их пеленгования.
  7. Восприятие положения тела в гравитационном поле
  8. Выбор местоположения компенсирующего устройства.
  9. Гарантии правового положения личности.
  10. Датчики
  11. Датчики
  12. Датчики давления разряженных газов.

Вопрос. Конструкция элементов и узлов электронных систем зажигания.

Для работы любой системы зажигания необходима информация о положении коленчатого вала двигателя. При этом датчик углового положения вала должен выдерживать достаточно суровые условия работы в отсеке двигателя, обладать высокой надежностью, дол­жен функционировать при очень низкой частоте вращения и иметь низкую стоимость. Известен ряд бесконтактных датчиков, в основу работы которых положены различные физические явления: магни­тоэлектрические, на эффекте Холла, высокочастотные, оптоэлектронные, токовихревые, фотоэлектрические и др.

Исходя из стоимости производства, требований к точности момента искрообразования, помехозащищенности, стойкости к внешним воз­действиям два первых типа датчиков получили наибольшее примене­ние и производятся у нас в стране и за рубежом крупносерийно.

Магнитоэлектрические датчики. Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный дат­чик коммутаторного типа с пульсирующим потоком. Принцип дейст­вия такого датчика заключается в изменении магнитного сопротив­ления магнитной цепи, содержащей магнит и обмотку, при измене­нии зазора с помощью распределителя потока (коммутатора). На рис. 2.1 показана принципиальная схема магнитоэлектрического датчика коммутаторного типа. При вращении зубчатого ротора в обмотке статора в соответствии с законом индукции возникает переменное напряжение

где k — коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи; w — число витков обмотки; n — частота вращения распределителя потока; — изменение потока Ф в зависимости от угла пово­рота.

Когда один из зубцов ротора 4 приближается к полюсу статора 1, в обмотке 3 нарастает напряжение. При совпадении фронта зубца ротора с полюсом статора (со средней линией обмотки) напряже­ние на обмотке достигает максимума, затем быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума (рис. 2.2) при удалении зубца.

Из формулы (2.1) вид­но, что пиковое значение линейно изменяется с частотой вращения распре­делителя потока. Нулевой переход ( =0) может быть использован для управления системой зажигания при получении точного момента искрообразования.

Рис. 2.1. Принципиальная схема коммутаторного датчика: 1 — магнитная цепь (статор); 2 — магнит; 3 — обмотка; 4 – распределитель потока (коммутатор)

Рис. 2.2. Магнитный поток Ф и напря­жение обмотки в зависимости от угла поворота ос распределителя потока

Рассмотренная магнитная система генераторного датчика чувствительна к влиянию паразитных изменений зазора, происходящих из-за конструктивных допусков, вибраций, передаваемых двигателем деталям, входящим в состав магнитной цепи. Это приводит к недопустимой асинхронности момента искрообразования по цилиндрам двигателя. Поэтому на практике применяется симметричная магнитная система, которая обеспечивает для каждого положения распределителя потока средний зазор, являющийся суммой элементарных зазоров. Принципиальная схема генераторного датчика коммутаторного типа с симметричной магнитной системой для четырехцилиндрового двигателя представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Принципиальная схема гене­раторного датчика коммутаторного типа для четырехцилиндрового двига­теля: 1 — магнитная цепь (статор с постоянным магнитом); 2 — обмотка; 3 — распределитель потока

Другим типом магнитоэлект­рических датчиков, нашедших применение в автомобильных системах зажигания (особенно отечественных), является датчик с переменным потоком. Он состоит из неподвижной катушки и по­стоянного магнита, жестко свя­занного с валиком распределите­ля зажигания, причем число пар-полюсов в магните равно количе­ству цилиндров двигателя. Такие магнитные системы называются датчиками с вращающимися маг­нитами (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Принципиальная схема магнитоэлектрического датчика с вращающимся магнитом для четы­рехцилиндрового двигателя (а) и за­висимости магнитного потока Ф и напряжения обмотки от угла поворота магнитного ротора (6): 1 — магнит; 2 — статор; 3 – обмотка

Работа датчика определяется знакопеременным магнитным потоком и симметричной формой выходного напряжения.

Датчик, работающий на эффек­те Холла (рис. 2.6). Благодаря развитию микроэлектроники широ­кое распространение получили датчики углового положения, ра­ботающие на эффекте Холла.

Рис. 2.5. Эффект Холла

Эффект Холла (рис. 2.5) возникает в по­лупроводниковой пластине, вне­сенной в магнитное поле, при пропускании через нее электриче­ского тока. Если поместить эле­мент толщиной h в магнитном поле таким образом, чтобы на­правление индукции В магнитного поля было перпендикулярно плос­кости пластины, и пропустить ток Iп через пластину, то между противоположными гранями пластины возникает ЭДС Холла:

где К — постоянная Холла, м 2 /А.

Чувствительность элемента Холла зависит от соотношения между длиной и шириной пласти­ны и повышается при уменьшении се толщины. У пленки толщина h равна 10 -6 м, у пластины из полупроводникового кристалла – 10 -4 м. Для изготовления элементов Холла используется германий (Се), кремний (Si), арсенид галлия (GаАs), арсенид индия (InАs), антимонид индия (InSb).

Очевидно, что путем изменения магнитного поля от 0 до Вmax с помощью магнитного экрана на выходе магнитоуправляемой интегральной схемы можно получить (при подключении к ее выходу со­ответствующей нагрузки) дискретный сигнал высокого или низкого уровня. Объединив магнитоуправляемую схему с магнитной системой в жестко сконструированный пластмассовый корпус, получают микропереключатель, работающий на эффекте Холла, который устанавливается в традиционный распределитель, например, поворотный механизм вакуумного автомата. Ротор 2 (замыкатель) (рис. 2.6), жестко связанный с валиком 4 распределителя, выполнен­ного из магнитопроводящего материала, и содержит число полю­сов-экранов 3, равное числу, цилиндров двигателя. При прохожде­нии экранов в зазоре между интегральной схемой 7 и магнитом 5 происходит периодическое шунтирование магнитного потока, и на выходе микропереключателя формируется сигнал о положении ко­ленчатого вала в виде прямоугольных импульсов.

Рис. 2.6. Схема микропереключате­ля, работающего на эффекте Холла (а), и зависимости напряжения чув­ствительного элемента Холла (Uп) и напряжения (Uд) на выходе датчика Холла от угла поворота ротора α (б): 1- магнитоуправляемая интег­ральная схема; 2 — ротор; 3 — эк­ран; 4 — валик распределителя; 5 — магнит; 6 — корпус микропереклю­чателя

Величина ЭДС Холла очень мала и поэтому должна быть усиле­на вблизи кристалла для того, чтобы устранить влияние радио — и — электропомех. Поэтому конструктивно элемент Холла и преобразо­вательная схема выполняются в виде интегральной микросхемы (рис. 2.7). Его магнитоуправляемая интегральная схема содержит усилитель У, пороговый элемент St, выходной каскад и стабили­затор напряжения СТ.


Рис. 2.7. Структурная магнитоуправляемая интеграль­ная схема микропереключателя, работающего на эффекте Холла: ЭХ − чувстви­тельный элемент Холла; В − индукция поля (изменяется от 0 до 5тах); У − уси­литель; Si − триггер Шмитта; VТ − транзистор выходного каскада с открытым выходом; СТ − источник стабилизированного напряжения; Rн − нагрузка

Недостатком интегральной системы является повышенная чувствительность к внешним воздействиям.

Коммутаторы. Электронным коммутатором, бесконтактной системы зажигания называется устройство, выполняющее следующие функции:

· формирование выходного токового импульса необходимой
амплитуды и длительности, подаваемого к первичной обмот­ке катушки (или катушек) зажигания для обеспечения заданного уровня высокого напряжения и энергии искры;

· обеспечение момента искрообразования в соответствии с за­данным фронтом управляющего импульса, поступающего на
вход коммутатора;

· стабилизация параметров выходного токового импульса при
колебаниях напряжения бортовой сети автомобиля и воздействии внешних факторов.

Различные коммутаторы выполняют такие дополнительные за­щитные функции, как:

· стабилизация питания и защита от импульсов перенапряжения в бортовой сети автомобиля в аномальных режимах мик­ропереключателя, работающего на эффекте Холла;

· ограничение амплитуды импульса вторичного напряжения в
аномальных режимах (например, в режиме открытой цепи);

· предотвращение протекания первичного тока через первичную обмотку катушки зажигания при включенном замке зажигания и неработающем двигателе.

На входные клеммы коммутатора поступают импульсы управле­ния, формируемые бесконтактным датчиком углового положения коленчатого вала двигателя или электронным регулятором угла опереже­ния зажигания.

Выходом (нагрузкой) коммутатора является первичная обмотка катушки зажигания или обмотки катушек зажигания. В последнем случае электронный коммутатор выполняет функцию распределителя высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя.

В выходной цепи коммутатора стоит мощный выходной транзистор, способный коммутировать токи амплитудой до 10 А в индуктивной нагрузке коллекторной цепи.

Основные схемы управления выходными каскадами системы зажигания представлены на рис. 2.8.

Для перехода выходного транзистора VT2 из режима отсечки в режим насыщения необходимо подать на его базу положительное напряжение Uбэ>Uотп (Uотп – напряжение отпирания транзистора, для кремниевых транзисторов обычно составляет 0,5…0,6 В, для германиевых 0,1…0,15 В). Uбэ обеспечивает ток базы

где — ток разрыва, — статический коэффициент усиления транзистора по току, — коэффициент насыщения (для транзистора, работающего в режиме ключа, выбирается в пределах 2…4).

Рис. 2.8.Схемы управления коммутационным транзистором системы зажигания: а – каскад с эмиттерным повторителем; б – каскад со стабилизатором тока

Управление работой выходного транзистора VT2 осуществляется предварительным усилителем по схеме с общим коллектором на транзисторе VT1(рис. 2.8,а). Резистор Rбэ улучшает условия запирания транзистора VT2.

Недостатком схемы является значительное изменение Uбэ (и связанное с этим изменение управляющего тока Iб) при колебаниях питающего напряжения Uп, за счет изменения падения напряжения на резисторе Rк, которое рассчитывается при минимальном значении Uп. В результате рассеиваемая на Rк мощность увеличивается. Потери мощности могут быть снижены (примерно в 3 раза) за счет стабилизации тока базы Iб (Uбэ) VT2 с помощью цепочки обратной связи, включающей VT3 и RТ (рис. 2.8,б). При увеличении Uп увеличивается Iэ транзистора VT1, следовательно, увеличивается Uбэ транзистора VT2, формируемое на Rбэ. Одновременно увеличивается падение напряжения на резисторе RТ, что приводит к увеличению положительного потенциала на базе VT3, который призакрывается, положительный потенциал его коллектора и базы транзистора VT1 увеличивается, и транзистор VT1 призакрывается, ток Iэ VT1 уменьшается и падение напряжения на Rбэ уменьшается до расчетного значения, т.е. не меняется. При уменьшении питающего напряжения Uп все происходит наоборот. Таким образом, осуществляется стабилизация Uбэ (следовательно, и Iб) VT2.

Для защиты выходного транзистора VT2 от перенапряжения применяются схемы, представленные на рис. 2.9.

Рис. 2.9.Схемы защиты выходного транзистора от перенапряжения: а – параллельно участку коллектор-эмиттер; б – параллельно участку коллектор-база

Необходимость в защите выходного транзистора от перена­пряжений возникает в ряде специфических режимов работы систе­мы зажигания. Например, режим открытой вторичной цепи являет­ся аварийным. В этом случае значительно увеличивается амплиту­да импульса первичного напряжения, прикладываемого к участку коллектор — эмиттер выходного транзистора, что может вызвать про­бой перехода. Кроме того, увеличивается и амплитуда импульса вторичного напряжения, что может вызвать пробой изоляции вторич­ной цепи катушки зажигания и, следовательно, отказ системы зажигания. Для ограничения амплитуды импульса первичного напряже­ния на допустимом для выходного транзистора уровне используют схемы защиты, выполненные, как правило, на нелинейных элементах — стабилитронах и варисторах.

Наиболее простой является схема, представленная на рис 2.9,а. В этой схеме защитный стабилитрон VD1 включен параллельно участку коллектор — эмиттер транзистора VT1. Напряжение пробоя стабилитрона VD1 выбирают меньше выходного транзистора. При значениях первичного напряжения пробой стабилитрона не происходит. При увеличении первичного напряжения до величины стабилитрон пробивается и через него начинает проте­кать ток , при этом амплитуда импульса первичного напряжения ограничивается на допустимом для выходного транзистора уровне. Амплитуда импульса тока через стабилитрон составляет 2. 4 А, что влечет за собой применение мощных стабилитронов.

Создание новых силовых транзисторов, способных коммутировать большую импульсную энергию (более 200 мДж), а также стремление уменьшить габариты коммутатора позволили осуществить защиту выходного транзистора путем введения стабилитрона параллельно участку база-коллектор (рис. 2.9,6). Этот способ позволяет уменьшить импульсный ток через стабилитрон в раз ( — статический коэффициент усиления по току вы­ходного транзистора).

При увеличении первичного напряжения до > , стабилитрон пробивается и через базу выходного транзистора начинает протекать ток, который приоткрывает транзистор VТ1 на время действия импульса перена­пряжения. Проводящий участок коллектор — эмиттер транзистора VТ1 шунтирует источник напряжения, ограничивая тем самым ам­плитуду первичного импульса на допустимом уровне.

Существуют также другие более сложные схемные решения, по­зволяющие еще больше снизить импульсный ток через стабилитрон.

Конденсатор С1, включенный параллельно участку коллектор-эмиттер выходного транзистора, служит для предотвращения выхода транзистора в область лавинного пробоя в процессе его закрывания, а также является элементом ударного колебательного контура воз­буждения, т. е. определяет величину и скорость нарастания вторич­ного напряжения, развиваемого системой зажигания. Резистор R1 ограничивает емкостный ток через участок коллектор — эмиттер тран­зистора VТ1 в момент открывания последнего, если конденсатор С1 заряжен.

Защита выходного транзистора от инверсного включения. После закрывания выходного транзистора в первичном контуре катушки зажигания возникает колебательный процесс. В течение действия отрицательной полуволны импульса первичного напряжения тран­зистор оказывается включенным в инверсном режиме, что недопус­тимо для некоторых типов транзисторов. Инверсное включение транзистора также возможно в случае перепутывания полярности аккумуляторной батареи.

Для защиты выходного транзистора VТ1 от инверсного включения последо­вательно в выходную цепь коммутатора включают полупроводнико­вый диод VD1 (рис. 2.10,а), рассчитанный на прямой ток, равный по значению току разрыва.

Рис. 2.10. Способы защиты транзистора от инверсного включения:

а — последовательное включение диода; б — параллельное включение

диода; в — монолитный транзистор Дарлингтона с защитным диодом

Последовательное включение силового диода имеет свои отри­цательные стороны. Во-первых, увеличиваются тепловые потери в выходной цепи коммутатора; во-вторых, усложняется его конструк­ция и, наконец, в-третьих, значительно снижается сила тока разрыва в период пуска двигателя при сильно разряженной аккумулятор­ной батарее.

Другим способом защиты выходного транзистора VТ1 от инверсного включения является включение силового диода VD1 па­раллельно участку коллектор-эмиттер транзистора (рис. 2.10,6). При этом включении разрушается колебательный процесс после первой полуволны первичного напряжения. Процесс становится апериодическим. Параллельное включение диода позволяет уменьшить падение напряжения в выходной цепи коммутатора, рассеиваемую мощность и габариты. Защитный диод может быть выполнен на одном кристалле с выходным транзистором (рис. 2.10,в).

Функцио­нально простые коммутаторы с постоянной скважностью (КПС) не содержат специального устройства ограничения тока. В системах зажигания, использующих КПС, применяется пассивное ограниче­ние уровня тока за счет последовательного включения в нагрузоч­ную цепь коммутатора добавочного сопротивления, которое закорачивается в режиме пуска.

Каждый электрик должен знать:  ГОСТ 31195.1-2012 статус на 2020 год, скачать в PDF формате

В коммутаторах с нормируемой скважностью (КНС) используются схемы, реализующие активное ограничение уровня тока. Введение в коммутатор активного ограничителя тока позволяет не только защитить выходной транзистор от чрезмерного тока, но и стабилизировать ток разрыва при колебаниях питающего напряжения в широких пределах, что позволяет обеспечить неизменные выходные характеристики системы зажигания.

Однако активный режим работы связан с большим выделением тепловой мощности на выходном транзисторе (порядка 60. 80 Вт), что накладывает жесткие требования на продолжительность вклю­ченного состояния выходного транзистора. Время включенного со­стояния или время накопления энергии должно регулироваться та­ким образом, чтобы минимизировать или исключить вообще нахож­дение выходного транзистора в режиме ограничения в рабочем диапазоне частот вращения вала двигателя. Эту задачу решают программные и адаптивные ре­гуляторы времени накопления.

В программном регуляторе времени накопления обеспечивается требуемый закон изменения скважности выходных импульсов тока в зависимости от частоты следования входных импульсов (частоты вращения вала двигателя). Недостатком коммута­торов с программным регулиро­ванием является невозмож­ность учета всех факторов, влияющих на силу тока разрыва в катушке зажигания. К таким факторам можно отнести, на­пример, разброс параметров первичной обмотки катушки за­жигания (R1, L1), нестабиль­ность скважности сигнала дат­чика в процессе эксплуатации, разброс номиналов элементов схемы при воздействии окружающей среды. Отсюда невысокая точность приближения пара­метров токового импульса к оптимальным значениям. Лучших ре­зультатов позволяют добиться коммутаторы с адаптивным регули­рованием скважности выходного импульса тока.

Адаптивные ре­гуляторы времени накопления отличаются наличием стабилизирующей обратной связи, которая позволяет поддерживать постоянный уровень тока в катушке зажигания независимо от воздействия многочисленных внешних факторов за счет коррекции скважности выходного токового сигнала.

Контроллеры. Контроллер представляет собой электронное устройство, предназначенное для управления углом опережения зажигания, который является функцией ряда параметров двигателя. Он также обес­печивает управление электроклапаном экономайзера принудитель­ного холостого хода (ЭПХХ) и в ряде случаев принимает на себя функцию регулирования накопления энергии катушке зажигания. В состав электронной системы зажигания контроллер может входить как автономный конструктивно законченный узел либо как интегри­рованный с транзисторным коммутатором электронный блок.

Из систем зажигания с ре­гулируемым углом опережения зажигания выделяются два ос­новных типа: системы с аппаратурным и программным принципами построения.

Алгоритм работы регуляторов угла опережения с аппаратурной реализацией («жесткой» логикой) определяется логическими связями между ее элементами. При видоизменении характеристик угла опере­жения зажигания необходимо изменить эти связи, что вызывает опре­деленные неудобства как на этапе проектирования таких устройств, так и при промышленном производстве, когда возможны модификации двигателей, требующие различных характеристик. Отсутствие гибко­сти, т. е. приспосабливаемости таких устройств к различным характе­ристикам, является их основным принципиальным недостатком. Кроме того, такие регуляторы реально позволяют воспроизво­дить лишь относительно простые характеристики и не обеспечива­ют реализацию значительно более сложных оптимальных характе­ристик, имеющих целый ряд изломов, с положительными и отрица­тельными участками.

Определенной гибкостью обладают системы управления углом опережения зажигания с памятью. В таких систе­мах, как правило, программа работы определяется логическими связями между функциональными устройствами, а данные, опре­деляющие индивидуальные особенности их характеристик, воспро­изводимых системой, хранятся в ее памяти в виде комбинаций ко­дов чисел. Основным достоинством этого стандартного функцио­нально законченного устройства является возможность длительно­го хранения большого массива информации (в том числе закодиро­ванной информации об угле опережения зажигания) и ее измене­ния на всех этапах разработки системы без существенных допол­нительных затрат. Применение памяти дает возможность исполь­зовать цифровую систему зажигания на различных двигателях.

Структурная схема одного из вариантов системы с памятью приведена на рис. 2.11. Зубчатый диск, закрепленный на коленчатом валу двигателя, имеет равномерно расположенные по всей окружности зубья. При вращении диска электромагнит­ный датчик 1 частоты вращения вырабатывает серию импуль­сов, число которых определяет угловое положение коленчатого вала относительно ВМТ. Кроме того, на диске устанавливается дополнительный зуб, при совпадении оси которого с электромагнит­ным датчиком 2 начала отсчета на выходе последнего формируется импульсный сигнал о достижении поршнем первого цилиндра ВМТ.

Частота вращения коленчатого вала двигателя может опреде­литься путем подсчета числа импульсов, поступающих с датчика 1 за эталонный промежуток времени, или путем подсчета числа импуль­сов от кварцевого генератора за период импульсов датчиков 1 и 2.

Рис. 2.11.Структурная схема цифровой системы зажигания с памятью

Нагрузка двигателя ∆РК определяется при помощи датчика аб­солютного давления (разрежения) 3, устанавливаемого во впускном коллекторе. Аналоговый сигнал с датчика преобразуется в цифро­вую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. Система имеет несколько дополнительных информационных входов 4 дня других датчиков, например датчика температуры охлаждающей жидкости, детонации, положения дроссельной заслонки и др. Сиг­налы с датчиков формируются с помощью специальных схем 5 (интерфейсов) перед подачей их в узел обработки данных 6. Одним из основных устройств узла обработки является постоянное запоми­нающее устройство 7 (ПЗУ).

На основании сигналов о частоте вращения коленчатого вала и нагрузке двигателя узел обработки данных формирует адрес, по которому осуществляется обращение к ПЗУ и выборка (считыва­ние) значения угла опережения зажигания, соответствующего дан­ному режиму работы двигателя. Это значение в дальнейшем может корректироваться в зависимости от показаний других датчиков. При достижении коленчатым валом двигателя положения, соответствующего расчетному значению, угла опережения зажигания, узел наработки данных формирует сигнал управления коммутатором 8.

Из рассмотренного принципа работы системы следует ряд важ­ных выводов:

· погрешности привода распределителя в данной системе све­дены к нулю благодаря работе непосредственно от зубчатого диска, жестко укрепленного на коленчатом валу двигателя;

· частота вращения коленчатого вала двигателя определяется
путем подсчета числа импульсов, формируемых датчиком оборотов
за заданный период времени, который в принципе может задавать­ся с любой реальной точностью;

· характеристики системы могут изменяться путем изменения
содержимого ПЗУ;

· система может воспроизводить характеристики угла опережения зажигания практически с любой точностью, определяемой лишь
числом зубьев диска;

· так как все перечисленные операции проводятся цифровыми
узлами, характеристики системы практически не подвержены временным и температурным изменениям.

Благодаря гибкости системы такого типа наиболее полно удов­летворяют современным требованиям. На рис. 2.12 приведена трехмерная калибровочная диаграмма, представляющая взаимо­связь трех параметров двигателя: частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, угла опережения зажигания.

Рис. 2.12.Калибровочная диаграмма цифровой системы зажигания

Из приведенного примера следует, что характеристика опти­мальных углов опережения зажигания цифровой системы с гибкой памятью значительно сложнее характеристик, которые могут быть реализованы системами с механическими автоматами. Одним из основных недостатков этих систем, обусловленных сложностью, является необходимость их реализации в виде больших интегральных схем (БИС). Выполнение этого условия обязательно, если принять во внимание жесткие требования к надежности работы системы и массовости выпуска. Недостатком является также необходимость изменять аппаратную часть при изменении характеристик угла опережения зажигания или алгоритма работы систе­мы зажигания.

Этих недостатков лишены системы с программируемой логикой, в которых при изменении алгоритма работы системы необходимо лишь заменить управляющую программу и ввести данные в ПЗУ. Такие системы обычно реализуются на базе микропроцессоров.

Системы, построенные на базе микропроцессоров, по основным принципам работы практически не отличаются от ЭВМ, широко ис­пользуемых во многих областях науки и техники. Основное отличие заключается лишь в том, что последние достижения в области мик­роэлектроники позволили выполнять ЭВМ в виде одной или не­скольких БИС, поэтому они получили название микроЭВМ.

Одним из объектов, на которых применяются микроЭВМ, является автомобиль. Это объясняет­ся тем, что системы автомобиля имеют достаточно сложные функ­ции регулирования, для реализации которых требуется выполнение большого объема вычислений. И микроЭВМ с их способностью быстро анализировать большой объем информации являются эффективным решением данной проблемы. При этом важно то, что одна микроЭВМ может управлять несколькими систе­мами автомобиля. Эта возможность микроЭВМ чрезвычайна важна, так как ряд задач, в том числе и задача повышения эффективности работы двигателя, носит комплексный характер, затрагивающий не только систему зажигания, но и систему топливоподачи.

Электронные распределители высокого напряжения. Средства электроники позволили осуществить распределение высоковольтных импульсов по цилиндрам двигателя путем коммутации низковольтных цепей катушки (или катушек) зажигания. Такой способ распределения высоковольтных импульсов называется низковольтным или электронным, поскольку коммутация осуществляется при помощи электроники. Применение электронного распределения позволяет существенно снизить уровень радиопомех при работе системы зажигания.

Рис. 2. 13.Принципиальные схемы электронных распределителей: а – с индивидуальными катушками; б – с двумя двухвыводными катушками; в – с четырехвыводной катушкой

На рис. 2.13 представлены варианты схем электрон­ного распределения для четырехтактных четырехцилиндровых ав­томобильных двигателей.

В системе зажигания с применением одновыводных катушек за­жигания традиционною исполнения (рис. 2.13,а) каждый цилиндр двигателя снабжен собственной катушкой зажигания Т1-Т4, имею­щей индивидуальный коммутационный ключ VТ1-\/Т4. Управление работой ключей осуществляется сигналами Uс31Uс34, вырабаты­ваемыми контроллером.

Во втором варианте (рис. 2.13,6) два цилиндра, момент зажига­ния которых смещен на 360° по коленчатому валу, снабжены двухвыводной катушкой зажигания, искровые промежутки (FV) свечей соединены последовательно и искрообразование происходит одно­временно в двух цилиндрах. При этом одна искра реализуется в такте расширения (холостая искра), а другая — в такте сжатия (ра­бочая). Для четырехцилиндрового двигателя требуется наличие двух катушек зажигания, управляемых по первичной цепи собст­венным коммутатором.

Возможна замена двух катушек зажигания на одну четырехвыводную с двумя включенными встречно первичными обмотками, которые намагничивают сердечник в двух направлениях. Распределение высо­ковольтных импульсов по цилиндрам двигателя осуществляется с по­мощью выпрямителя на высоковольтных диодах УD1-УD4, подключенного к обоим концам вторичной обмотки (рис. 2.13,в). Здесь также две свечи зажигания работают одновременно, т. е. одна искра являет­ся холостой. Управление работой катушки зажигания по первичной стороне осуществляется аналогично варианту на рис. 2.13,6.

Описанные варианты систем зажигания с низковольтным рас­пределением имеют свои преимущества и недостатки. Например, первый вариант использует традиционные катушки, но он громоз­док. Во втором варианте используется уже две катушки зажигания. Третий вариант с одной катушкой требует усложнения ее конструк­ции из-за необходимости встраивания высоковольтных диодов с обратным напряжением, равным максимально возможному напря­жению катушки зажигания (приблизительно 30. 40 кВ).


| следующая лекция ==>
Вопрос. Основные направления развития систем зажигания | Вопрос. Электронные системы управления топливоподачей бензиновых двигателей

Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 872 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Как используется эффект Холла: принципы явления и способы применения

Изучение влияния друг на друга электричества и магнетизма привело к открытию явления, названого впоследствии именем его исследователя, эффектом Холла. Благодаря экспериментам учёного был создан датчик, получивший широкое применение в электрических схемах. Его используют в мобильной и бытовой технике совместно с двигателями, в измерительном оборудовании за счет способности преобразовывать магнитную индукцию в разность потенциалов.

Открытие эффекта Холла

Будущий физик Эдвин Герберт Холл родился в американском городе Горем в 1855 году. Получив начальное образование, он в 1875 году поступил в университет, где и ставил свои первые эксперименты. Так, изучая труды Максвелла об электричестве и магнетизме, Холл заинтересовался двумя фактами.

Первый заключался в том, что силы, возникающие в проводнике, расположенном поперечно линиям магнитной индукции, прикладываются непосредственно к веществу. Второй же сообщал, что значение этих сил зависит от скорости движения зарядов. В 1879 году вышла статья учёного Эдмунда Холла, доказывающая факт, что магнитное поле действует с одинаковым усилием как на подвешенный, так и зафиксированный объект.

Анализируя, какая сила может управлять движением заряженных частиц, он пришёл к выводу, что это может быть только напряжение. Для первого опыта физик использовал согнутую в спираль проволоку зажатую между диэлектриков. Эту конструкцию он поместил между двумя магнитами и запитал её от химического элемента тока. В качестве регистратора использовался мост Витстона с гальванометром Кельвина. В совокупности было проведено около тринадцати экспериментов и более четырёхсот измерений с разными условиями. Результатами экспериментов стало утверждение, что магнитный поток может изменять сопротивление материала.

По совету профессора Роуланда было выработано направление нового эксперимента, заключающее в следующем:

  1. К проводящей пластине подводился электрический ток.
  2. Гальванометр подключался к краям проводника.
  3. Включался электромагнит так, чтобы линии напряжённости поля лежали перпендикулярно плоскости пластины.

Предполагалось обнаружить условия для изменения протекания тока. Но опыт не получался, пока в качестве пластины не попробовали использовать тонкий лист из золота. Поставленный новый опыт оказался удачным. Гальванометр чётко зафиксировал появившееся напряжение.

В результате был обнаружено, что при подаче на проводник электрического тока заряд в ней распределяется равномерно по всей её поверхности.

Но как только на пластину воздействует магнитное поле, линии индукции которой перпендикулярны направлению тока, заряд перераспределяется к краям, и возникает разность потенциалов. В этом и заключается эффект Холла, на базе которого были после построены одноимённые датчики.

Физико-математическое определение

Эффект Холла — это явление, которое можно наблюдать при помещении вещества проводящего электрический ток под действие магнитного поля. Физик Холл открыл, что в проводнике, при пропускании по нему постоянного тока появляется электродвижущая сила (ЭДС) если его поместить в поперечное магнитное поле. Физически это обозначает возникновение напряжения на боковых гранях проводящего вещества при поднесении к нему магнита. Используя это, можно регистрировать магнитное излучение. Возникшее напряжение зависит от трёх факторов:

  • силы тока;
  • напряжённости поля;
  • типа проводника.

Сила, с которой электромагнитное поле действует на точечный заряд в веществе, называется силой Лоренца. Частным её случаем является сила Ампера. Математически напряжённость электрического поля описывается выражением:

E h = R*H*j*sinα, где:

  • H — напряжённость магнитного поля;
  • j — плотность тока;
  • α — векторный угол между силовыми линиями H и j;
  • R — постоянная Холла.

Если к пластине прямоугольной формы, имеющую длину L, которая намного будет превышать ширину b и толщину d, подвести ток, то его значение будет определяться формулой: I = j*b*d. Когда же её переместить в магнитное поле, направленное перпендикулярно этому току, то на боковых гранях пластины возникнет ЭДС, равная:

V h = E h* b = R*H*I/d.

Так как эффект объясняется влиянием поля на элементарные частички (дырки или электроны) то сила действующая на них описывается законом Лоренца: F =e * [H*υ], где υ — усреднённая скорость носителей зарядов, зависящая от концентрации и величины носителей. Под влиянием этой силы носители начинают прижиматься к боковым поверхностям пластины перпендикулярно j и H. Там они накапливаются, и возникает явление Холла, уравновешивающее силу Лоренца.

При этом коэффициент Холла равен: R = 1/n*e. Например, для металлов он составляет около 10 -3 см 3 /Кл, а у полупроводников от 10 до 10 5 см 3 /Кл.

Постоянную Холла также можно выразить через способность носителей заряда реагировать на внешнее воздействие (подвижность). Так, она равна: R = µ/σ, где: µ — дрейфовая скорость носителей, а σ — удельная электропроводность. Но это в большей мере справедливо для поликристаллов. В то же время для анизотропных проводников будет верней формула: R = r/e*n. Здесь r принимается равной единице и обозначает оценку силы магнитного поля.

Разновидности явления

По мере исследования эффекта был обнаружен ряд особенностей появления электрического поля, отличающий от классического понимания. Так, учёными были выявлены факторы, приводящие к появлению напряжения без пропускания через пластинку тока. Такие явления получили название:

Для аномального эффекта необходимым условием является нарушение T-симметрии, то есть уравнений, описывающих физические законы при обращении времени. Наиболее часто этот эффект наблюдается в материалах, имеющих остаточную намагниченность (ферромагнетики).

Квантовое же отклонение возникает в квазидвумерном электронном газе, где пренебрегают кулоновским взаимодействием. В нём носители заряда обладают слабой связью с ионами кристаллической решётки. В такой системе работают законы квантовых теорий.

При этом чем сильнее магнитное поле, тем более выражено дробное явление Холла, связанное с трансформированием структуры всего электронного газа.

В 1971 году учёные Дьяконов и Перель, изучающие механизм спиновой релаксации, обнаружили, что перпендикулярно направлению линий электромагнитного поля наблюдается отклонение носителей зарядов, имеющих противоположные спины. Этот эффект был связан со спин-гальваническим рассеянием и взаимодействием между спиновыми и орбитальными магнитными моментам.

Способы использования явления

На основе эффекта Холла создаются устройства и приборы, обладающие нужными и часто уникальными свойствами. Эти приборы занимают важное место в измерительно-контрольной технике, автоматизации, радиотехнике и т. д. Приспособления, использующие в своей работе явление Холла, называются элементами Холла (датчиками).

Эти датчики дают возможность измерять силу магнитного поля, так как при неизменной величине тока электродвижущая сила прямо пропорциональна линиям магнитной индукции. Прямая зависимость этих величин для элементов Холла является неоспоримым преимуществом перед другими типами измерителей индукции, основанных на контроле магнетосопротивления.

Приборы Холла позволяют проводить измерения электрических и магнитных характеристик не только металлов, но и полупроводников. Из-за простоты своего действия, несложности в изготовлении, а также высокой точности и надёжности они широко применяются в различных отраслях науки и техники. Датчики используются для измерения силы, давления, углов, перемещения и других неэлектрических величин. Этот эффект используют и при изготовлении полупроводников для контроля подвижности носителей зарядов и подсчёта их концентрации.

Для этого используется формула эффекта Холла: V h = j*B*H / n*q = B*I / (q*n*α) = R*B*I/α,

из которой число носителей находится как N = (I*B) / (q*α* V h). Таким образом, можно определить не только количество носителей, но и также их тип (знак).

Элементы Холла применяются в автомобилестроении из-за их невысокой стоимости, точности показаний, надёжности и способности не зависеть от условий окружающей среды. Их используют в конструкции бесконтактных однополярных и биполярных прерывателей. Благодаря их миниатюрному исполнению электронные гаджеты можно автоматически включать или выключать экран при открытии или закрытии чехла с магнитом. Они помогают в GPS-навигации, улучшая геопозирование.

С каждым годом эффект Холла находит всё более новое применение. Свидетельством тому служит появление устройства виртуальной реальности — Google Card Board, в основе работы которого лежит взаимодействие магнита с датчиком Холла.

Магнитные датчики

Основное преимущество использования датчиков магнитного поля, заключается в их бесконтактной работе. Они бывают аналоговыми и дискретными. Первый тип считается классическим. В его основе лежит принцип, что чем сильнее будет магнитное поле, тем больше будет величина напряжения. В современных приборах и устройствах такой тип уже практически не используется из-за значительных размеров. Цифровой же датчик построен на режиме работы «ключ» и имеет два устойчивых положения. Если сила индукции недостаточна он не срабатывает.

Разделяются дискретные элементы Холла на два типа:

  • униполярные — срабатывание которых зависит от полюса магнитного поля;
  • биполярные — переключения состояния датчика происходит при изменении магнитного полюса;
  • омниполярные — реагируют на действие магнитной индукции любого направления.

Конструктивно датчик представляет собой электронный прибор с тремя выводами. Он может выпускаться как в стандартном исполнении DIP, DFN или SOT, так и в герметичном: например, 1GT101DC (герметичный), A1391SEHLT-T (DNF6), SS39ET (SOT), 2SS52M (DIP).

Характеристики устройства

Выпускаемые датчики, использующие явление Холла, как и любые электронные радиокомпоненты характеризуются своими параметрами. Главным из них является тип прибора и напряжение питания. Но, кроме этого, выделяют следующие технические характеристики:

  1. Величина измеряемой индукции. Измеряется она в гауссах или миллитеслах.
  2. Чувствительность — определяется значением магнитного потока, на который реагирует датчик, единица измерения мВ/Гс или мВ/мТл.
  3. Нулевое напряжение магнитного поля — значение разности потенциалов, соответствующее отсутствию магнитного поля.
  4. Дрейф нуля — изменение напряжения, зависящее от температуры. Указывается в процентном отклонении от температуры 25 °C.
  5. Дрейф чувствительности — изменение чувствительности, вызванное изменением температуры.
  6. Полоса пропускания — уровень снижения чувствительности с шагом в 3 дБ.
  7. Индукция включения и выключения — это значение напряжённости поля, при котором датчик устойчиво срабатывает.
  8. Гистерезис — разность между индукциями включения и выключения;
  9. Время срабатывания — характеризуется промежутком времени перехода из одного устойчивого состояния в другое.

Изготовление приборов

Материал, из которого выполняется элемент Холла, должен обладать большой подвижностью носителей зарядов. Для получения наибольшего значения напряжения вещество не должно иметь высокую электропроводностью. Поэтому при производстве устройств используется: селенид, теллурид ртути, антимонид индия. Тонкопленочные датчики получаются методом испарения вещества и осаждения его на подложку. В качестве её служит слюда или керамика.

Изготавливают датчики также из полупроводников — германия и кремния. Их легируют мышьяком или фосфорной сурьмой. Такие устройства обладают низкой зависимостью от изменения температуры, а величина образуемой на них ЭДС может достигать одного вольта.

Типовой процесс производства пластинчатого датчика Холла состоит из следующих операций:

  • обрезка пластины нужного размера;
  • шлифовка поверхности;
  • формирование с помощью пайки либо сварки симметричных выводов;
  • герметизация.

Таким образом, применение эффекта Холла нашло широкое применение в магнитометрии, смартфонах, автомобилях, выключателях и охранных системах.

Одним из главных преимуществ датчиков, выполненных на этом эффекте, является электрическая изоляция (гальваническая развязка) делающие их применение удобным и безопасным.

Потенциометрические и на эффекте Холла датчики угла поворота в электронных и автоматических системах

В электронных и автоматических системах управления, например автоматической парковки автомобиля, нашли широкое применение датчики потенциометрического типа и на эффекте Холла.

Свойства потенциометрических датчиков угла поворота имеют следующие основные характеристики и определения (рис. 5.15):

Каждый электрик должен знать:  Кабель XPJ характеристики, стоимость, область применения

• полный механический диапазон (угол поворота) подвижной системы датчика;

Рис. 5.15. Типичная линейная выходная характеристика автомобильного аналогового датчика положения дроссельной заслонки:

ІІ — выходное напряжение; ср — механический угол поворота; ?/тах, Г/тіп — ограничивающие уровни; фцп — линейный участок кривой (рабочая зона); Фе(Г — эффективный электрический угол (полный диапазон); сртах — максимальный механический диапазон угла вращения; и — среднеквадратическое напряжение; / — идеальная выходная характеристика; 2,3 — границы допусков нелинейности

  • • полный диапазон или полная шкала — линеиныи участок выходной характеристики или эффективный электрический угол поворота подвижной системы;
  • • функциональный диапазон — участок наибольшей линейности, рекомендуемый в спецификации датчика;
  • • чувствительность к угловому или линейному перемещению S, определяемая как единичное приращение (наклон или фактор масштаба) кривой Дф, или ДS- S = Д?/вых/Дф, или S = A(JBblx/AS, где ДUBblx приращение напряжения датчика;
  • • среднеквадратическое напряжение UQq среднее напряжение из ограничительных уровней (среднее из магнитного диапазона для магнитоуправляемых датчиков);
  • • смещение характеристики — отклонение по оси выходного напряжения от теоретического нулевого значения, например взятого при температуре Т в сравнении со значением 25 °С:


• линейность (то же, что нелинейность, или ошибка линейности) — отклонение от пропорциональной линейной функции (прямой линии), выраженное в процентах верхнего или нижнего предела измерительного диапазона (полной шкалы):

и другие важнейшие характеристики, например разрешение и повторяемость, что особенно важно для датчиков с реверсом, магнитная чувствительность (для магнитоуправляемых датчиков) ,5М = Д?/вых/Д?, температурная чувствительность или температурный дрейф смешения, для большинства магнитоуправляемых датчиков эквивалентный точности, дрейфы чувствительности к перемещениям:

•100% магнитной чувствительности и т. д.

Датчики положения не могут иметь простую конструкцию, как, например, бесконтактные датчики угловой скорости. Из анализа физических эффектов конструктивная схема устройств этого типа предполагает механическое задание нулевого положения датчика и в ряде случаев ограничение максимальной измеряемой величины, в том числе угла, если не требуется измерять угол поворота 360° в несколько оборотов. Эти особенности учтены в корпусе датчика — нулевым положением считается положение подвижной системы датчика, когда ось дроссельной заслонки совмещается с выступами в установочной втулке датчика.

Установочная втулка или установочный вал датчика в общем случае будут иметь ориентирующие выступы или паз, которые при установке датчика совмещаются с пазом или выступами на оси вала дроссельной заслонки.

При вращении вала управляющего привода установочный компонент осуществляет вращательное движение внутри неподвижного корпуса датчика, жестко закрепленного, например, на двух винтах. В датчиках линейного положения предусмотрена аналогичная механическая связь вала с линейно перемещаемым дросселем.

Поскольку не удается полностью избавиться от механических контактов, датчики положения не могут иметь теоретически бесконечный срок службы, как бесконтактные датчики угловой скорости ферромагнитного зубчатого ротора. Надежность датчиков оценивается в миллионах полных циклов работы до их наработки на отказ и в системах с ограниченным углом (

  • [1] чувствительность к напряжению питания и ратиометричность («гаП-Ю-гаП») — пропорциональность напряжению питания чувствительности и среднеквадратического напряжения:
Датчик угла поворота рулевого колеса
Интегральные датчики перемещения на эффекте Холла и с магниторезистивным чувствительным элементом
Датчики скорости поворота автомобиля по ускорению Кориолиса систем стабилизации траектории движения
Эффект Холла
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГИБОВ И УГЛОВ ПОВОРОТА
Энергетический метод определения прогибов и углов поворота
Определение угла поворота заготовки (координата А)
Электропроводность металлов и полупроводников. Эффект Холла
Причины появления пульсаций при вычислении угла поворота ротора

Рассмотрим особенности аналогового и цифрового интегрирования по методу трапеции при наличии синусоидальной помехи во входном сигнале. При подаче синусоидального сигнала с единичной амплитудой на вход аналогового интегратора имеем максимальный сигнал на выходе в момент времени Г/2, где T = /f.
(Имитационное моделирование и системы управления)

Популярные страницы
    Датчик угла поворота рулевого колеса
    Интегральные датчики перемещения на эффекте Холла и с магниторезистивным чувствительным элементом
    Датчики скорости поворота автомобиля по ускорению Кориолиса систем стабилизации траектории движения
    Эффект Холла
    ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГИБОВ И УГЛОВ ПОВОРОТА
    Энергетический метод определения прогибов и углов поворота
    Определение угла поворота заготовки (координата А)
    Электропроводность металлов и полупроводников. Эффект Холла
    Причины появления пульсаций при вычислении угла поворота ротора

    Для каждого студента высшего учебного заведения важным этапом обучения является подготовка и сдача реферата.
    На сайте Google-Referat Вы сможете найти большую электронную библиотеку книг и учебников, которые, как мы считаем, помогут Вам в написании академических работ.

    Скоро будет выложено много полезных и интересных книг.

    Датчик Холла

    Датчик дождя, датчик уровня жидкости, датчик температуры – он же термометр. Вроде бы все ясно: датчик дождя показывает наличие дождя, датчик уровня жидкости показывает, как ни странно, уровень жидкости; термометр – от греч. – тепло и измерять, показывает температуру. Но вот что за странное название: датчик Холла?

    С чего все начиналось

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

    Так вот, когда он пропускал постоянный ток через грани D и B, поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и знаете что обнаружил? Разность потенциалов на гранях А и C! Или проще сказать, напряжение. Этот эффект и назвали в честь этого ученого.

    Как только он сделали это открытие, вскоре стали делать радиоэлементы на этом эффекте. Чтобы не заморачиваться с названием, назвали в честь того, кто открыл этот эффект – в честь Холла. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, называют датчиками Холла.

    Линейные датчики Холла

    О чего же зависит напряжение на гранях А и С? В основном от магнитного поля, создаваемым либо постоянным магнитом, либо электромагнитом; толщиной пластинки, а также силой тока, протекающего через саму пластинку. Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого проводоа, например, токовые клещи

    а также приборы, с помощью которых можно замерять напряженность магнитного поля. Датчики Холла, используемые в этих приборах называют линейными, так как напряжение на датчике Холла прямо пропорционально измеряемым параметрам магнитного поля.

    Линейные датчики, как я уже сказал, могут быть использованы в токовых клещах. Они позволяют измерять силу тока, начиная от 250 мА и до нескольких тысяч Ампер. Самым большим преимуществом в таких токовых клещах является отсутствие механического контакта с измеряемой цепью. Иными словами, токовые измерители на эффекте Холла намного безопаснее, чем измерители на основе шунта и амперметра, особенно при большой силе тока в цепи, которую нередко можно встретить в промышленных установках.

    Цифровые датчики Холла

    Разработчики на этом не остановились. Как только наступила эра цифровой элек троники в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы. Выглядит все это примерно вот так:

    В результате промышленность стала выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном такие датчики делятся на три вида:

    Униполярные. Реагируют только на один магнитный полюс. На противоположный магнитный полюс не обращают никакого внимания. То есть подносим например южный полюс магнита, датчик сработал. На северный магнитный полюс ему наплевать.

    Биполярные. Здесь уже интереснее. Подносим магнит одним полюсом – датчик сработал и продолжает работать даже тогда, когда мы убираем магнит от датчика. Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

    Омниполярные. Этим датчикам по барабану на какой полюс включаться и выключаться. Пусть будет хоть южный или северный.

    Как проверить датчик Холла

    Давайте рассмотрим работу цифрового биполярного датчика Холла марки SS41. Выглядит наш подопечный вот так:

    А вот здесь можно скачать даташит на этот датчик: (нажмите сюда). Итак, на первую ножку подаем плюс, на вторую – минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

    Для этого давайте соберем простейшую схемку: простой светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и, конечно же, сам датчик Холла.

    Теперь цепляемся к нашей схеме от Блока питания, выставив на нем 5 Вольт. Минус на средний вывод, а плюс – на первый.

    У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

    Чтобы не перепутать полюса, я пометил бумажным ценником один из полюсов магнита. Какой именно – я не знаю, так как не имею компаса, с помощью которого можно было бы узнать северный и южный полюс.

    Как только я поднес магнит “красным” полюсом к датчику холла, то у меня светодиод сразу перестал гореть

    Переворачиваю магнит другим полюсом и вуаля!

    Если магнитик не переворачивать, то есть не менять полюса, то у нас светодиод также останется потухшим, потому как датчик у нас биполярный.

    А вот и видео работы

    Как вы видите на видео, мы с помощью магнита управляем датчиком Холла. Датчик Холла выдает нам два состояния сигнала: сигнал есть – единичка, сигнала нет – ноль. То есть светодиод горит – единичка, светодиод потух – ноль. Поэтому датчики Холла с логическими элементами в одном корпусе очень полюбила цифровая электроника. Их можно подцепить к микроконтроллерам и другим логическим элементам.

    Применение датчиков Холла

    В настоящее время область применения датчиков Холла очень обширна и с каждым годом становится все шире и шире. Вот основные применения:

    Применение линейных датчиков Холла

    • датчики тока
    • тахометры
    • датчики вибрации
    • детекторы ферромагнетиков
    • датчики угла поворота
    • бесконтактные потенциометры
    • бесколлекторные двигатели постоянного тока
    • датчики расхода
    • датчики положения

    Применение цифровых датчиков Холла

    • датчики частоты вращения
    • устройства синхронизации
    • датчики систем зажигания автомобилей
    • датчики положения
    • счетчики импульсов
    • датчики положения клапанов
    • блокировка дверей
    • измерители расхода
    • бесконтактные реле
    • детекторы приближения
    • датчики бумаги (в принтерах)

    Заключение

    Чем же так хороши датчики Холла? Если соблюдать нормальные рабочие значения напряжения и тока, то теоретически датчика хватит на бесконечное число включений-выключений. Там нет электромеханического контакта, который бы изнашивался, в отличие от геркона и электромагнитного реле. Используйте на здоровье датчики Холла в своих электронных устройствах.

    Датчик крутящего момента на рулевом колесе

    В основу работы электрического усилителя рулевого управления положена величина крутящего момента на рулевом колесе. Чем больше усилие прикладывает водитель к рулевому колесу (создает крутящий момент), тем больше должно быть дополнительное усилие со стороны усилителя руля. Величину крутящего момента на рулевом колесе оценивает датчик крутящего момента. В ряде конструкций датчик крутящего момента объединен с датчиком угла поворота рулевого колеса.

    Различают несколько конструкций датчиков крутящего момента на рулевом колесе, построенных на различных физических принципах: оптический, индуктивный, датчик Холла, магниторезистивный датчик. Все перечисленные виды датчиков бесконтактные измерительные устройства. Помимо физических принципов, датчики различаются быстротой и точностью измерения. Самым распространенным является датчик крутящего момента, построенный на эффекте Холла.

    Датчик крутящего момента встроен в рулевую колонку. На валу рулевой колонки установлен многополюсной магнит, имеющий несколько пар полюсов. На валу-шестерне имеется два статора с зубьями особой формы. Вал рулевой колонки и вал-шестерня связаны друг с другом торсионом — стержнем, обладающим крутильной жесткостью. Чувствительным элементом датчика крутящего момента является неподвижный датчик Холла, закрепленный на корпусе. Для повышения надежности измерений в конструкции датчика крутящего момента используется два датчика Холла, т.н. схема с резервной цепью.

    Принцип действия датчика построен на измерении угла закручивания торсиона, который пропорционален крутящему моменту на рулевом колесе. В исходном положении (нейтральное положение рулевого управления) зубцы статоров расположены строго между полюсами магнитов, что соответствует минимальному сигналу датчика. При повороте рулевого колеса торсион закручивается. Соответственно многополюсный магнит поворачивается относительно статоров. Максимальный сигнал датчика достигается, когда зубья каждого из статоров встают напротив полюсов магнита. В этом положении создается максимальный магнитный поток, который фиксируется датчиками Холла. Все остальные положения датчика являются промежуточными.

    Необходимо отметить, что угол закручивания торсиона очень небольшой, поэтому диапазон измерения датчика составляет 4-5° в каждую сторону. Датчик крутящего момента, построенный на эффекте Холла, позволяет добиться высокой точности измерения порядка 0,002°. Для компенсации температурных перемещений при измерении датчик крутящего момента может иметь встроенный датчик температуры.

    Во многом схожую конструкцию имеет магниторезистивный датчик крутящего момента. Оценка крутящего момента в нем также производится по углу закручивания торсиона. На валу рулевой колонки расположен многополюсный магнит, на валу-шестерне два магниторезистивных чувствительных элемента. При повороте магнитного диска магниторезистивные элементы фиксируют изменение магнитного потока и формируют электрический сигнал.

    При эксплуатации электроусилителя рулевого управления необходимо помнить, что выход из строя датчика крутящего момента приводит к отключению усилителя, к счастью это происходит плавно.

    Эффект Холла и датчики на его основе

    Эффект Холла был открыт в 1879 г. американским ученым Эдвином Гербертом Холлом. Его сущность состоит в следующем (см. рисунок). Если через проводящую пластинку пропускать ток, а перпендикулярно пластинке направить магнитное поле, то в направлении поперечном току (и направлению магнитного поля) на пластинке появится напряжение: Uh = (RhHlsinw)/d, где Rh — коэффициент Холла, зависящий от материала проводника; Н — напряженность магнитного поля; I — ток в проводнике; w — угол между направлением тока и вектором индукции магнитного поля (если w = 90°, sinw = 1); d — толщина материала.

    Благодаря тому, что выходной эффект определяется произведением двух величин (Н и I), датчики Холла имеют весьма широкое применение. В таблице приведены коэффициенты Холла для различных металлов и сплавов. Обозначения: Т — температура; В — магнитный поток; R h — коэффициент Холла в единицах м3 /Кл.

    Бесконтактные клавишные переключатели на основе эффекта Холла применялись за рубежом довольно широко уже с начала 70-х годов. Достоинства этого переключателя — высокая надежность и долговечность, малые габариты, а недостатки — постоянное потребление энергии и сравнительно высокая стоимость.

    Принцип действия генератора Холл а

    Датчик Холла имеет щелевую конструкцию. С одной стороны щели расположен полупроводник, по которому при включенном зажигании протекает ток, а с другой стороны — постоянный магнит.

    В магнитном поле на движущиеся электроны воздействует сила. Вектор силы перпендикулярен направлению, как магнитной так и электрической составляющих поля.

    Если внести в магнитное поле с индукцией В полупроводниковую пластинку (например, из арсенида индия или антимонида индия), через которую протекает электрический ток, то на боковых сторонах, перпендикулярно направлению тока, возникает разность потенциалов. Напряжение Холла (ЭДС Холла) пропорционально току и магнитной индукции.

    Между пластинкой и магнитом имеется зазор. В зазоре датчика находится стальной экран. Когда в зазоре нет экрана, то на пластинку полупроводника действует магнитное поле и с нее снимается разность потенциалов. Если же в зазоре находится экран, то магнитные силовые линии замыкаются через экран и на пластинку не действует, в этом случае разность потенциалов на пластинке не возникает.

    Интегральная микросхема преобразует разность потенциалов, создающуюся на пластинке, в отрицательные импульсы напряжения определенной величины на выходе датчика. Когда экран находится в зазоре датчика, то на его выходе будет напряжение, если же в зазоре датчика экрана нет, то напряжение на выходе датчика близкое к нулю.

    Дробный квантовый эффект Холла

    Об эффекте Холла написано много, этот эффект интенсивно используется в технике, но ученые продолжают его исследовать. В 1980 г. немецкий физик Клаус фон Клитцунг изучал работу эффекта Холла при сверхнизких температурах. В тонкой пластинке полупроводника фон Клитцунг плавно изменял напряженность магнитного поля и обнаружил, что сопротивление Холла изменяется не плавно, а скачками. Величина скачка не зависила от свойств материала, а являлась комбинацией фундаментальных физических констант, деленной на постоянное число. Получалось, что законы квантовой механики каким-то образом изменяли природу эффекта Холла. Это явление было названо интегральным квантовым эффектом Холла. За это открытие фон Клитцунг получил Нобелевскую премию по физике в 1985 г.

    Два года спустя после открытия фон Клитцунга в лаборатории компании Bell Telephone (той самой, в которой был открыт транзистор) сотрудники Стормер и Тсуи изучали квантовый эффект Холла, используя исключительно чистый образец арсенида галлия большого размера, изготовленный в этой же лаборатории. Образец имел настолько высокую степень чистоты, что электроны проходили его из конца в конец, не встречая препятствий. Эксперимент Стормера и Тсуи проходил при гораздо более низкой температуре (почти абсолютный нуль) и с более мощными магнитными полями, чем в эксперименте фон Клитцунга (в миллион раз больше, чем магнитное поле Земли).

    К своему большому удивлению Стормер и Тсуи обнаружили скачок в сопротивлении Холла в три раза больший, чем у фон Клитцунга. Затем они обнаружили еще большие скачки. Получалась та же комбинация физических постоянных, но деленная не на целое, а на дробное число. Заряд электрона у физиков считается константой, не делимой на части. А в этом эксперименте как бы участвовали частицы с дробными зарядами. Эффект был назван дробным квантовым эффектом Холла.

    Год спустя после этого открытия сотрудник лаборатории Ла-флин дал теоретическое объяснение эффекта. Он заявил, что комбинация сверхнизкой температуры и мощного магнитного поля заставляет электроны образовывать несжимаемую квантовую жидкость. Но рисунке с помощью компьютерной графики показан поток электронов (шары), протыкающих плоскость. Неровности плоскости представляют распределение заряда одного из электронов в присутствии магнитного поля и заряда других электронов. Если электрон добавляется к квантовой жидкости, то образуется некоторое количество квазичастиц с дробным зарядом (на рисунке это показано как набор стрелок у каждого электрона).
    В 1998 г. Хорст Стормер, Даниэль Тсуи и Роберт Лафлин были удостоены Нобелевской премии по физике. В настоящее время Х.Стормер — профессор физики Колумбийского университета, Д.Тсуи — профессор Принстонского университета, Р.Лафлин — профессор Стенфордского университета.

    Вариант 2. Использование датчика холла.

    Принцип работы схемы:

    На вал беговой дорожки снаружи крепиться магнит, напротив которого устанавливается датчик холла, прохождение магнита мимо датчика приведет к изменению сигнала на ножке выхода. Сигнал на ножке вывода будет иметь либо логический уровень, при использовании цифрового датчика холла, либо аналоговый сигнал, в случае применения аналогового датчика.

    • -Высокая стабильность и надежность работы
    • -Более высокая чувствительность к изменению магнитного поля.
    • -Более высока стоимость
    • -Необходимость использования компаратора ( для аналогового датчика холла)
    • -Более высока сложность схемы

    Вариант 3. Использование энкодера (датчика угла поворота). Энкодеры в свою очередь подразделяются на инкрементальные и абсолютные.

    Инкрементальные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

    Абсолютные энкодеры, как оптические, так и магнитные имеют своей основной рабочей характеристикой число шагов, то есть уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов, при этом не требуется первичной установки и инициализации датчика. Поэтому абсолютные энкодеры не теряют свою позицию при исчезновении напряжения.

    Наиболее распространённые типы выходов сигнала — это код Грея, параллельный код, интерфейсы Profibus-DP, CANopen, DeviceNet, SSI, LWL, через которые также осуществляется программирование датчиков.

    Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен,т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

    Рис 4 Кодовый диск абсолютного энкодера

    Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

    Рис 5 Устройство однооборотного энкодера

    • -Высока надежность
    • -Высокая точность получаемых данных
    • -Сложность монтажа
    • -Высокая стоимость
    • -Сложность обработки сигнала( относительно других вариантов).

    Выбор был сделан в пользу варианта №2, так как повышенная надежность системы является одним из основных требований, так же выбор был сделан исходя из условий использования компонентов, имеющихся в наличии.

    Добавить комментарий