Ефект холу і датчики положення

Мікропроцесорне управління двигуном

Ефект Холла і датчики положення

Сучасні автомобільні двигуни оснащуються автоматичними засобами управління системою живлення і запалювання, що використовують інформацію, що надходить від численних датчиків для коригування початку і тривалості подачі палива, і (в системах з примусовим займанням) часу подачі іскри в циліндри.

До таких датчиків, що дозволяє точно визначати моменти подачі в циліндри двигуна чергової порції палива і іскри, відносяться датчики фаз і датчики положення колінчастого вала, що використовують у своїй роботі ефект, відкритий майже півтора століття тому американським фізиком Едвіном Гербертом Холом (Edwin Herbert Hall, 1855 1938), який так і називають - ефект Холла.

У чому ж полягає ефект Холла? Суть цього явища досить проста для розуміння будь-якого сучасного школяра, знайомому з природою електрики і магнетизму. Але в далекому 1879 року, коли Е. Холл зробив своє відкриття, воно, звичайно ж, відкрило науковому світові очі на багато явищ в навколишньому світі.

Едвін Холл взяв тонку прямокутну золоту пластинку (рис. 1), розмістив її в постійному магнітному полі, і пропустив через неї струм, приєднавши протилежні грані пластинки (на малюнку 1 - межі С і D) до джерела постійного струму. В результаті скрупульозних вимірів він встановив, що між бічними гранями пластини (межі А і В) виникла різниця потенціалів, т. Е. Напруга. Звичайно ж, це напруга була мізерно мало, але факт залишався фактом - в металі виникла поперечна ЕРС, яка «зігнала» частина заряджених частинок до однієї з бічних граней.

Природу цього явища сучасна фізика пояснює так.
Коли заряджені частинки, переміщаючись по провіднику (будь-якого, не обов'язково золотій пластині), проходять через магнітне поле, на них діють сили, описані голландцем Х. Лоренц (через десять років після відкриття Е. Холла), і частки відхиляються від прямолінійної траєкторії. Т. е. Якщо провідник з струмом розмістити в магнітному полі, перпендикулярному до траєкторії руху заряджених частинок (електронів, іонів), вони відхиляться від прямолінійної траєкторії, і одна сторона провідника стане негативною, а інша, відповідно, позитивною.

Практичне застосування виявленого Е. Холом явища було здійснено лише через десятки років. Різниця потенціалів, що виникає між гранями токонесущего провідника була дуже мала, і довгий час дивовижний ефект залишався лише об'єктом лабораторних досліджень.
Так, наприклад, було встановлено, що різні матеріали, що використовувалися в експериментах в якості провідника струму, утворюють на гранях різниця потенціалів, властиву лише даному матеріалу, що дозволяє, таким чином, ідентифікувати будь-яка речовина за допомогою нехитрого способу.

Згодом, коли з'явилися різні підсилювачі напруги, спочатку лампові, а потім напівпровідникові, ефект, відкритий Холом отримав гідне і досить широке застосування в багатьох галузях машинобудування, в тому числі і в автомобільній промисловості.
Справжній тріумф ефекту Холла збігся з широким застосуванням комп'ютерних пристроїв, здатних виконувати команди у вигляді електричних сигналів значно швидше, ніж це робили механічні пристрої. Саме з цього часу датчики Холла зробили справжню революцію в складній техніці, використовуваної людиною для практичних потреб. Компактні і прості у виготовленні пристрою дозволили замінити громіздкі і ненадійні механізми в багатьох машинах.

Як же працюють датчики, які використовують ефект Холла для формування сигналів, що надходять в керуючі пристрої систем двигуна? На автомобільних двигунах такі датчики встановлюють для спостереження за положенням розподільчого вала ГРМ (датчик фаз) і положенням колінчастого вала (датчик положення колінчастого валу). Обидва датчика допомагають бортового комп'ютера автомобіля (СБУ) зрозуміти, в якому становищі перебувають поршні і клапана двигуна, і на підставі цього «приймати рішення» про час подачі палива і іскри в циліндр.

Датчики складаються з електромагнітної котушки, в якій розташований муздрамтеатр у вигляді напівпровідникової або металевої пластини зі спеціальних сплавів. У котушку подається постійний струм з бортової мережі автомобіля, і навколо неї утворюється постійне магнітне поле, яке індукує в пластині ЕРС Холла, створюючи деяку різницю потенціалів між її протилежними гранями.
Якщо до такого датчику піднести шматок магнітопроводящего металу, то в результаті зміни магнітного потоку напруженість поля зміниться, що відразу ж позначиться на різниці потенціалів між гранями пластини, створивши імпульс струму і напруги.
Ось, власне, і вся премудрість. Приклад такого датчика положення колінчастого валу зображений на малюнку 2, б.

Розміщуємо наш датчик з котушкою і магнітопроводом де-небудь в районі розподільного або колінчастого вала, а до валу прикріпимо спеціальну металеву пластину у вигляді диска з прорізами, віконцями або будь-якими іншими мітками, які при проходженні повз датчика викличуть обурення магнітного потоку і різниці потенціалів .
Залишається лише узгодити мітки на таких ініціюють імпульс пластинах з моментом, коли необхідно дати комп'ютера сигнал про знаходження вала (колінчастого або розподільного) в певному положенні.

Використання цих простих пристроїв дозволило повністю відмовитися від такого складного вузла в системі запалювання, як переривник. Як відомо, слабким місцем будь-якого механізму є наявність рухомих деталей і з'єднань, які мають схильність до зносу і відмов.
Особливо багато клопоту автомобілістам доставляли контактні системи, що управляють котушкою запалювання за допомогою змикання і розмикання двох електричних контактів. Контакти постійно підгорає, зазор між ними потребував регулюванні, і система часто давала збій в роботі.
Згодом на зміну таким переривнику прийшли вдосконалені пристрої, що використовують ефект Холла у вигляді розміщеної в корпусі такого переривника котушки, закритою металевою (магнітопроводящей) чашкою з бічними прорізами. Ініціює елемент (металева скоба або пластина) обертається разом з валом переривника, і при проходженні повз прорізів чашки індукував в витках котушки електричний імпульс, який після посилення використовувався для управління котушкою запалювання. Така конструкція дозволила відмовитися від контактів в переривнику.

Подальші удосконалення подібної конструкції привели до відмови від масивної котушки в переривнику такого типу, і в них встановлювали мініатюрні датчики з прорізом в муздрамтеатрі, через яку періодично проходила обертається металева пластина, закріплена на валу переривника (рис. 2, а).

Проте, переривник, який представляє собою досить складний механічний пристрій з рухомими деталями, все ще не давав спокою конструкторам і винахідникам, які прагнуть спростити і підвищити надійність системи запалювання.

Наступним етапом удосконалення системи запалювання був повна відмова від датчика, функцію якого взяли на себе датчики положення, що використовують ефект Холла і різні ініціатори імпульсів у вигляді пластин з прорізами або вікнами, закріпленими безпосередньо на валах, положення яких необхідно контролювати. Такі пристрої практично позбавлені пов'язаних рухомих деталей, тому незрівнянно надійніше в роботі, ніж системи запалювання, що використали переривники різних типів і конструкцій.

Конструктивно датчики положення, що використовують ефект Холла можуть бути виконані в різних варіантах - щілинними, коли пластина на валу переміщається в спеціальній прорізи на муздрамтеатрі, або торцевими, розміщеними поряд з ініціації пластиною.
Торцеві датчики зазвичай застосовується в якості датчиків положення колінчастого вала, а щілинні датчики часто застосовуються в якості датчика фаз. Втім, це конструктивна відмінність не суттєво - адже принцип роботи таких датчиків однаковий, і в його основі лежить ефект, відкритий багато років тому Едвіном Холом.