Системы зажигания с датчиком Холла

Магнитоэлектрический датчик Холла получил свое название по имени Э. Холла американского физика, открывшего в 1879 г. важное гальваномагнитное явление.

Элемент Холла представляет собой тонкую пластинку, выполненную из полупроводникового материала (кремний, германий), с четырьмя электродами. Если через такую пластинку проходит ток I и на нее одновременно действует магнитное поле, вектор магнитной индукции В которого перпендикулярен плоскости пластинки, то на параллельных направлению тока гранях возникает э.д.с. Холла, которое определяется по следующему выражению:

Uн = кхIВ/d,
кх – постоянная Холла, зависящая от материала пластинки; d – толщина пластинки

Рис. Принцип работы элемента Холла:
1 – магнит; 2 – пластинка из полупроводникового материала

Через пластинку пропускается ток примерно 30 мА, тогда как напряжение Холла составляет 2 мВ, увеличиваясь с ростом температуры. Пластинка обычно представляет одно целое с интегральной схемой, осуществляемой усиление и формирование сигнала.

Если между магнитом и полу­проводником поместить перемещающийся экран с прорезями, получим импульсный генератор Холла.

Схема прерывателя-распределителя с датчиком Холла представлена на двух следующих рисунках.

Рис. Принцип работы датчика Холла:
1 – постоянный магнит; 2 – ротор; 3 – элемент Холла; 4 – операционный усилитель; 5 – формирователь импульсов; 6 – выходной каскад; 7 – блок стабилизации

Магнитное поле создается постоянным магнитом 1, а прерывание магнитного поля осуществляется ротором (экраном) 2 с окнами, укрепленным на валике распределителя. При прохождении окна ротора около постоянного магнита силовые линии его магнитного поля пронизывают поверхность элемента Холла и на его выходе возникает ЭДС. Если воздушный зазор между магнитом и элементом Холла перекрывается шторкой, магнитное поле замыкается на шторку экрана и не попадает на элемент Холла.

Рис. Схема прерывания магнитного потока:
1 – датчик Холла; 2 – держатель датчика; 3 – воздушный зазор; 4 – магнитный поток; 5 – ротор

Количество шторок и окон экрана соответствует количеству цилиндров двигателя. Ширина шторки экрана соответствует углу, при котором выходной транзистор коммутатора пропускает ток через первичную обмотку зажигания.

Учитывая небольшое напряжение, вырабатываемое элементом Холла, оно обрабатывается и усиливается.

Операционный усилитель 4 усиливает сигнал датчика и через формирователь импульсов 5 подает сигнал на базу выходного транзистора 6 и открывает его. Для исключения влияния на выходной сигнал датчика колебаний напряжения сети и температуры в схеме датчика имеется блок стабилизации 7.

При нахождении шторки экрана в щели воздушного зазора, величина магнитного потока резко падает, вследствие замыкании магнитного потока на шторку.

Рис. Импульсы датчика Холла:
В – магнитная индукция; Uн – напряжение, вырабатываемое элементом Холла; Ug – напряжение, вырабатываемое датчиком Холла; I – ток первичной обмотки катушки зажигания; tz – момент зажигания электрической искры; а – изменение магнитной индукции; б – изменение напряжения, вырабатываемого элементом Холла; в – изменение напряжения, вырабатываемого датчиком Холла; г – изменение силы тока первичной катушки зажигания.

Напряжение, вырабатываемое элементом Холла Uн, поступает на операционный усилитель, где происходит усиление сигнала. После этого ток поступает на формирователь импульсов и там происходит переработка из аналогового сигнала в цифровой. Затем полученный цифровой сигнал поступает на выходной каскад и окончательно усиливается до величины напряжения Ug, достаточного для работы транзисторного коммутатора. При этом напряжение Ug за счет инверсии выходного каскада вырабатывается в момент отсутствия напряжения Uн с входа элемента Холла, т.е. в момент перекрытия шторкой экрана воздушного зазора, что соответствует напряжению Uн ниже 0,4 В. В таком положении экрана транзистор выходного каскада Т0 находится в открытом состоянии, при этом от коммутатора через транзистор Т0 проходит ток и при этом база транзистора Т1 соединяется с массой.

Рис. Электрическая схема коммутатора и датчика Холла:
1 – датчик Холла; 1а – выходной сигнал; 2 – коммутатор; 3 – замок зажигания; 4 – дополнительный резистор; 5 – шунтирование дополнительного резистора; 6 – катушка зажигания

Учитывая, что проводимость транзистора Т1 n-p-n, отсутствие положительного потенциала этого транзистора приводит к его закрытию. В результате этого прекращается подача положительного потенциала на базу В через резистор R4 и коллекторно-эмитерный переход транзистора Т1. При этом ток не проходит через резистор R7 и база В включения транзисторов Т2/Т3 замыкается на массу. Учитывая проводимость этих транзисторов n-p-n, отсутствие положительного заряда на базе В, транзисторы закрываются и ток в первичную обмотку катушки зажигания не поступает. При выходе экрана из воздушного зазора напряжение с элемента Холла достигает 0,4В и через первичную обмотку катушки зажигания начинает протекать ток.

В момент попадания зуба ротора в зазор датчика на выходе датчика создается напряжение Umax примерно на 3 В меньше напряжения питания. Если через зазор датчика проходит прорезь ротора, напряжение на выходе датчика Umin близко к нулю (не более 0,4 В). Отношение периода Т к длительности Ти (скважность) равна трем. Напряжение питания датчика соответствует напряжению бортовой сети и находится в пределах 8…14 В.

Для преобразования управляющих импульсов бесконтактного датчика в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания применяются коммутаторы. Коммутатор преобразует управляющие импульсы датчика в импульсы тока в первичной обмотке катушки зажигания. Коммутатор соединен с генератором импульсов (бесконтактным датчиком) тремя проводниками. Коммутатор управляет зажиганием в зависимости от частоты вращения валика датчика-распределителя, напряжения аккумулятора, полного сопротивления катушки зажигания и при любых режимах работы двигателя выдает импульсы напряжения постоянной величины. Во время прохождения положительного импульса (напряжение Umax ) от бесконтактного датчика происходит постепенное ( в течении 4…8 мс) нарастание тока в первичной обмотке катушки зажигания до максимальной величины В равной 8…9 А. В момент, когда напряжение на выходе датчика падает до Umin , выходной транзистор коммутатора закрывается и ток через первичную обмотку катушки зажигания резко прерывается. В результате во вторичной обмотке индуцируется импульс высокого напряжения.

Отдельно элементы прерывателя-распределителя с датчиком Холла показаны на рисунке. Пластинка и остальные составляющие датчика Холла устанавливается внутри пластмассового корпуса, залитого смолой. Датчик Холла неразборный и не подлежит ремонту. Для соединения с коммутатором датчик Холла имеет 3 вывода.

Рис. Элементы прерывателя-распределителя с датчиком Холла:
1 – ротор: 2 – шторка; 3 – держатель датчика Холла; 4 – постоянный магнит и датчик Холла; 5 – воздушный зазор

Датчик-распределитель выдает управляющие импульсы низкого напряжения и распределяет импульсы высокого напряжения по свечам зажигания. Он имеет центробежный и вакуумный регуляторы опережения зажигания. Бескон­тактный датчик в сборе с опорной пластиной имеет возможность поворачиваться в зависимости от разряжения, подводимого к вакуумному регулятору.

Катушка зажигания, адаптированная к данной системе зажигания, установлена рядом с коммутатором. Она преобразует прерывистый ток низкого напряжения (12 В) в ток высокого напряжения (20…25 кВ) необходимый для пробоя воздушного зазора между электродами свечей зажигания. Катушка имеет в верхней части отверстие, закрытое пробкой диаметром 5.5 мм для защиты катушки от избыточного внутреннего давления. Пробка выталкивается из отверстия при росте давления вследствие повышения температуры из-за короткого замыкания.

Видео: Как работает датчик Холла