Магнітоелектричний датчик Холла отримав свою назву по імені Е. Холла американського фізика, який відкрив в 1879 р важливе гальваномагнітними явище.
Елемент Холла є тонку пластинку, виконану з напівпровідникового матеріалу (кремній, германій), з чотирма електродами. Якщо через таку пластинку проходить струм I і на неї одночасно діє магнітне поле, вектор магнітної індукції В якого перпендикулярний площині пластинки, то на паралельних напрямку струму гранях виникає е.р.с. Холла, яке визначається за наступним виразом:
Uн = кхIВ / d,
кх - постійна Холла, що залежить від матеріалу пластинки; d - товщина пластинки
Мал. Принцип роботи елемента Холла:
1 - магніт; 2 - пластинка з напівпровідникового матеріалу
Через пластинку пропускається струм приблизно 30 мА, тоді як напруга Холла становить 2 мВ, збільшуючись з ростом температури. Платівка зазвичай представляє одне ціле з інтегральною схемою, що здійснюється посилення і формування сигналу.
Якщо між магнітом і напівпровідником помістити переміщається екран з прорізами, отримаємо імпульсний генератор Холла.
Схема розподільника з датчиком Холла представлена на двох наступних малюнках.
Мал. Принцип роботи датчика Холла:
1 - постійний магніт; 2 - ротор; 3 - елемент Холла; 4 - операційний підсилювач; 5 - формувач імпульсів; 6 - вихідний каскад; 7 - блок стабілізації
Магнітне поле створюється постійним магнітом 1, а переривання магнітного поля здійснюється ротором (екраном) 2 з вікнами, укріпленим на валу розподільника. При проходженні вікна ротора близько постійного магніту силові лінії його магнітного поля пронизують поверхню елемента Холла і на його виході виникає ЕРС. Якщо повітряний зазор між магнітом і елементом Холла перекривається шторкою, магнітне поле замикається на шторку екрану і не потрапляє на елемент Холла.
Мал. Схема переривання магнітного потоку:
1 - датчик Холла; 2 - тримач датчика; 3 - повітряний зазор; 4 - магнітний потік; 5 - ротор
Кількість шторок і вікон екрану відповідає кількості циліндрів двигуна. Ширина шторки екрану відповідає розі, при якому вихідний транзистор комутатора пропускає струм через первинну обмотку запалювання.
З огляду на невелику напругу, що виробляється елементом Холла, воно обробляється і посилюється.
Операційний підсилювач 4 підсилює сигнал датчика і через формувач імпульсів 5 подає сигнал на базу вихідного транзистора 6 і відкриває його. Для виключення впливу на вихідний сигнал датчика коливань напруги мережі і температури в схемі датчика є блок стабілізації 7.
При знаходженні шторки екрану в щілини повітряного зазору, величина магнітного потоку різко падає, внаслідок замикання магнітного потоку на шторку.
Мал. Імпульси датчика Холла:
В - магнітна індукція; Uн - напруга, що виробляється елементом Холла; Ug - напруга, що виробляється датчиком Холла; I - струм первинної обмотки котушки запалювання; tz - момент запалювання електричної іскри; а - зміна магнітної індукції; б - зміна напруги, що виробляється елементом Холла; в - зміна напруги, що виробляється датчиком Холла; г - зміна сили струму первинної котушки запалювання.
Напруга, що виробляється елементом Холла Uн, надходить на операційний підсилювач, де відбувається посилення сигналу. Після цього струм надходить на формувач імпульсів і там відбувається переробка з аналогового сигналу в цифровий. Потім отриманий цифровий сигнал надходить на вихідний каскад і остаточно посилюється до величини напруги Ug, достатнього для роботи транзисторного комутатора. При цьому напруга Ug за рахунок інверсії вихідного каскаду виробляється в момент відсутності напруги Uн з входу елемента Холла, тобто в момент перекриття шторкою екрану повітряного зазору, що відповідає напрузі Uн нижче 0,4 В. У такому положенні екрану транзистор вихідного каскаду Т0 знаходиться у відкритому стані, при цьому від комутатора через транзистор Т0 проходить струм і при цьому база транзистора Т1 з'єднується з масою.
Мал. Електрична схема комутатора і датчика Холла:
1 - датчик Холла; 1а - вихідний сигнал; 2 - комутатор; 3 - замок запалювання; 4 - додатковий резистор; 5 - шунтування додаткового резистора; 6 - котушка запалювання
З огляду на, що провідність транзистора Т1 npn, відсутність позитивного потенціалу цього транзистора призводить до його закриття. В результаті цього припиняється подача позитивного потенціалу на базу У через резистор R4 і колекторно-емітерной перехід транзистора Т1. При цьому струм не проходить через резистор R7 і база В включення транзисторів Т2 / Т3 замикається на масу. З огляду на провідність цих транзисторів npn, відсутність позитивного заряду на базі В, транзистори закриваються і ток в первинну обмотку котушки запалювання не надходить. При виході екрану з повітряного зазору напруга з елемента Холла досягає 0,4 В і через первинну обмотку котушки запалювання починає протікати струм.
У момент попадання зуба ротора в зазор датчика на виході датчика створюється напруга Umax приблизно на 3 В менше напруги харчування. Якщо через зазор датчика проходить проріз ротора, напруга на виході датчика Umin близько до нуля (не більше 0,4 В). Ставлення періоду Т до тривалості Ті (шпаруватість) дорівнює трьом. Напруга живлення датчика відповідає напрузі бортової мережі і знаходиться в межах 8 ... 14 В.
Для перетворення керуючих імпульсів безконтактного датчика в імпульси струму в первинній обмотці котушки запалювання застосовуються комутатори. Комутатор перетворює імпульси датчика в імпульси струму в первинній обмотці котушки запалювання. Комутатор з'єднаний з генератором імпульсів (безконтактним датчиком) трьома провідниками. Комутатор управляє запалюванням залежно від частоти обертання валика датчика-розподільника, напруги акумулятора, повного опору котушки запалювання і при будь-яких режимах роботи двигуна видає імпульси напруги постійної величини. Під час проходження позитивного імпульсу (напруга Umax) від безконтактного датчика відбувається поступове (протягом 4 ... 8 мс) наростання струму в первинній обмотці котушки запалювання до максимальної величини У рівній 8 ... 9 А. В момент, коли напруга на виході датчика падає до Umin , вихідний транзистор комутатора закривається і струм через первинну обмотку котушки запалювання різко переривається. В результаті у вторинній обмотці індукується імпульс високої напруги.
Окремо елементи розподільника з датчиком Холла показані на малюнку. Платівка і інші складові датчика Холла встановлюється всередині пластмасового корпусу, залитого смолою. Датчик Холла нерозбірний і не підлягає ремонту. Для з'єднання з комутатором датчик Холла має 3 виведення.
Мал. Елементи розподільника з датчиком Холла:
1 - ротор: 2 - шторка; 3 - тримач датчика Холла; 4 - постійний магніт і датчик Холла; 5 - повітряний зазор
Датчик-розподільник видає керуючі імпульси низької напруги і розподіляє імпульси високої напруги по свічках запалювання. Він має відцентровий і вакуумний регулятори випередження запалювання. Безконтактний датчик в зборі з опорною пластиною має можливість повертатися в залежності від розрядження, що підводиться до вакуумного регулятора.
Котушка запалювання, адаптована до даної системи запалювання, встановлена поруч з комутатором. Вона перетворює переривчастий струм низької напруги (12 В) в струм високої напруги (20 ... 25 кВ) необхідний для пробою повітряного зазору між електродами свічок запалювання. Котушка має у верхній частині отвір, закритий пробкою діаметром 5.5 мм для захисту котушки від надлишкового внутрішнього тиску. Пробка виштовхується з отвору при зростанні тиску внаслідок підвищення температури через коротке замикання.