Αισθητήρας Χολ

Οι αισθητήρες φαινόμενου Χολ χρησιμοποιούνται στους διανομείς πολλών συστημάτων ανάφλεξης για να ενεργοποιήσουν το πρωτεύον κύκλωμα (έναυση σπινθήρα) και για να μετρήσουν τις στροφές/λεπτό του κινητήρα. Αλλά χρησιμοποιούνται επίσης σε πολλά συστήματα ανάφλεξης χωρίς διανομέα (DIS) για να καθορίσουν τη θέση του στροφαλοφόρου και του εκκεντροφόρου άξονα. Αυτό συμβαίνει επειδή ο εγκέφαλος του κινητήρα πρέπει να ξέρει που ο αριθμός ένα κύλινδρος είναι μόλις η μηχανή αρχίσει να στροφάρει. Μόλις ο πολύ σημαντικός "συγχρονισμένος παλμός" ανιχνεύεται, η ακολουθία ανάφλεξης μπορεί να αρχίσει να δίνει τάση στους σπινθηριστές στη σωστή ακολουθία. Αυτό επιτρέπει επίσης το χρόνο έγχυσης να αντιστοιχηθεί με το χρόνο που θα δοθεί ο σπινθήρας στις μηχανές με διαδοχική έγχυση καυσίμων. Οι αισθητήρες Χολ αναφέρονται μερικές φορές ως "διακόπτες" λόγω του on-off "ψηφιακού" σήματος τάσης που παράγουν. Αντίθετα από τους μαγνητικούς αισθητήρες που παράγουν ένα σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) που ποικίλλει στην τάση με την ταχύτητα, οι αισθητήρες Χολ παράγουν ένα σταθερό σήμα τάσης που μπορεί να αλλάξει απότομα από τη μέγιστη τάση σε σχεδόν μηδέν και πάλι πίσω ανεξάρτητα από τις στροφές της μηχανής. Αυτό παράγει σήμα κυματομορφής σχεδόν τετραγωνικής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύκολα από τον υπολογιστή για λόγους συγχρονισμού.

 Όταν μεταλλικό έλασμα εισέρχεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο με μια συγκεκριμένη γωνία, τότε δημιουργείται στα άκρα του ελάσματος διαφορά δυναμικού (δηλαδή τάση). Ένας χαρακτηριστικός αισθητήρας Χολ έχει τρία καλώδια ή τερματικά: ένα για τη γείωση, ένα για την τάση μπαταρίας ή αναφοράς και ένα για το σήμα εξόδου. Για να παραγάγει ένα σήμα εξόδου, ένας αισθητήρας Χολ πρέπει να τροφοδοτηθεί με μια τάση αναφοράς από τον υπολογιστή του οχήματος (που μπορεί να είναι 5 έως 12 βολτ ανάλογα με την εφαρμογή). Η τάση τροφοδότησης είναι απαραίτητη για να δημιουργήσει το φαινόμενο που πραγματοποιείται μέσα στον αισθητήρα. Η αρχή λειτουργίας στην οποία είναι βασισμένοι οι αισθητήρες Χολ (και έχει το ίδιο όνομα) χρονολογείται από 1879 όταν ανακάλυψε ο Edwin H. Χολ, ένας Αμερικανός επιστήμονας, ένα νέο ηλεκτρικό φαινόμενο. Όταν εφάρμοσε ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα κομμάτι του μετάλλου που παρεμβλήθηκε μεταξύ δύο μαγνητών, δημιούργησε μια δευτερεύουσα τάση μέσα στο μέταλλο όταν τοποθετήθηκε υπό σωστή γωνία στην εφαρμοσμένη τάση. Η ανακάλυψη δεν είχε ευρεία πρακτική χρήση τότε, αλλά αποδείχθηκε ότι αυτή ήταν ακριβώς ό,τι οι μελλοντικοί μηχανικοί θα χρειάζονταν για να δημιουργήσουν μια συσκευή μετατροπής ικανή για ένα αποδοτικό on-off σήμα τάσης τετραγωνικής κυματομορφής. Το φαινόμενο Χολ προσαρμόστηκε έτσι ώστε η αλλαγή τάσης να εμφανίζεται σε ένα τσιπ πυριτίου που τοποθετείται στη σωστή γωνία του μαγνητικού πεδίου. Όταν ένα μεταλλικό έλασμα περνά μέσω του κενού αέρα μεταξύ του μαγνητικού πεδίου και του τσιπ πυριτίου, διακόπτει το μαγνητικό πεδίο και αναγκάζει την τάση παραγωγής του τσιπ για να μειωθεί ξαφνικά στο μηδέν. Με τα πρόσθετα στοιχεία κυκλώματος, ο αισθητήρας μπορεί να κάνει ακριβώς το αντίθετο: να παραγάγει ένα σήμα τάσης όταν περνάει το έλασμα από το μαγνητικό πεδίο. Τα πρόσθετα στοιχεία κυκλώματος ρυθμίζουν την τάση τροφοδότησης στο τσιπ και ενισχύουν την τάση εξόδου του. Σε ένα σύστημα ανάφλεξης αυτοκινήτου, τα ελάσματα τοποθετούνται στον άξονα του διανομέα, στο ρότορα, στην τροχαλία του στροφαλοφόρου άξονα ή στον εκκεντροφόρο έτσι ο αισθητήρας μπορεί να παραγάγει ένα σήμα σπινθηροδότησης ή θέσης, ή και τα δύο μαζί, καθώς ο στροφαλοφόρος άξονας περιστρέφεται. Σε μερικές εφαρμογές, μια εγκοπή σε μια τροχαλία, ένα δόντι γραναζιού ή ακόμα και ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό κουμπί εξυπηρετεί τον ίδιο σκοπό με το μεταλλικό έλασμα για να διακόψει το ”μαγνητικό παράθυρο” του αισθητήρα και να κλείσει το διακόπτη. Ένας αισθητήρας Χολ μπορεί να είναι είτε "ανοικτός" είτε "κλειστός" ανάλογα με το πώς τα στοιχεία κυκλώματός του είναι σχεδιασμένα. Όταν είναι ”ανοικτός” (όπως οι αισθητήρες θέσης του στροφαλοφόρου της GM) παράγει μια σταθερή τάση εξόδου όταν το μαγνητικό παράθυρο είναι ανεμπόδιστο και κανένα έλασμα δεν περνά. Η τάση εξόδου μειώνεται για να πλησιάσει σε μηδέν όταν εισάγεται ένα μεταλλικό έλασμα στο μαγνητικό παράθυρο και εμποδίζει το πεδίο. Το σήμα συλλογής του προφίλ ανάφλεξης (PIP) και το σήμα προσδιορισμού του πρώτου κυλίνδρου (CID) που βρίσκονται σε κινητήρες της Ford που έχουν ανάφλεξη χωρίς διανομέα(DIS) λειτουργεί με τον αντίθετο τρόπο. Όταν το έλασμα περνά, πέρνα και εμποδίζει το μαγνητικό πεδίο, ο εσωτερικός ηλεκτρονικός διακόπτης του αισθητήρα αλλάζει το σήμα εξόδου του αισθητήρα από πλησίον μηδέν (θέση off) στη μέγιστη τάση (on). Οι περισσότεροι σύγχρονοι κινητήρες είναι εφοδιασμένοι με αισθητήρα ή διακόπτη HALL για να εντοπίζεται η θέση και οι στροφές του εκκεντροφόρου και του στροφαλοφόρου άξονα. Αυτοί οι αισθητήρες διαφέρουν σε μέγεθος και σε σχεδίαση αλλά είναι όμοιοι στην αρχή και τον τρόπο λειτουργίας. Οι διαφορές αυτές εντοπίζονται κυρίως στην τάση λειτουργίας και τον τρόπο που τοποθετούνται ανάλογα με την σχεδίαση του εκάστοτε κινητήρα. Ο αισθητήρας Χολ είναι ένας πολύ ακριβής τρόπος για να γνωρίζει ο ‘εγκέφαλος’ του οχήματος ανά πάσα στιγμή την θέση και τη ταχύτητα των δυο αυτών αξόνων. Οι περισσότερες εφαρμογές χρησιμοποιούν διάκενα και ελάσματα. Το διάκενο αφήνει να περάσει το μαγνητικό πεδίο το οποίο δημιουργείται από ένα μόνιμο μαγνήτη. Όταν το έλασμα περάσει από το μαγνητικό πεδίο, τότε το διακόπτει και δημιουργείται μια αλλαγή στην τάση την οποία ο ‘εγκέφαλος’ την αισθάνεται. Όταν περνάει από το έλασμα τότε η τάση πέφτει πρακτικά στο μηδέν. Ενώ όταν παρεμβάλλεται το έλασμα, η τάση ανεβαίνει σε μια συγκεκριμένη τιμή. Αυτή η τάση είναι συνήθως ίση με την τάση της μπαταρίας σε μοντέλα της GM,της Ford και σε πολλούς κινητήρες της Chrysler. Όμως στους κινητήρες της Chrysler 3.3L, 3.5L, 3.8L, ο Η/Υ δίνει τάση 8 βολτ, και δέχεται μια των 5 έως 0 βολτ στο καλώδιο του αισθητήρα. Μερικοί αισθητήρες Χολ χρησιμοποιούν ένα κινητό μαγνήτη προσκολλημένο σε ένα δόντι για να υπολογίζεται ο χρόνος (General Motors), αλλιώς κόμβους στο στρόφαλο για να δοθεί σήμα (Chrysler). Η General Motors, η Ford, και η Chrysler έχουν κινητήρες που χρησιμοποιούν διπλούς αισθητήρες Χολ. Οι κινητήρες της Chrysler που χρησιμοποιούν στροβιλοσυμπιεστή έχουν δυο ξεχωριστούς αισθητήρες οι οποίοι βρίσκονται πάνω στη βάση του διανομέα με τις δικές τους συνδέσεις (3 καλώδια για το καθένα). Η GM καθώς και η Ford χρησιμοποιούν διπλούς αισθητήρες Χολ σε μια εφαρμογή με 4 συνδετικά καλώδια. Και οι δυο αυτοί αισθητήρες μοιράζονται την ίδια παροχή των 12 βολτ και την γείωση. Τα αλλά 2 καλώδια είναι για το σήμα της εξόδου τάσης 12 έως 0 βολτ. Η GM χρησιμοποιεί διαφορετικούς αισθητήρες για τον εκκεντροφόρο και τον στροφαλοφόρο άξονα σε συνδυασμό με Ανάφλεξη χωρίς Διανομέα και αλλεπάλληλου χρονισμού έγχυσης καύσιμου. Στα οχήματα της Ford χρησιμοποιούνται αισθητήρες Χολ για να δοθεί σήμα στον υπολογιστή για να βελτιωθεί η αναλογία Ανάφλεξης Χονδρού Φιλμ ( Thick Film Ignition). Αυτό ονομάζεται σήμα συλλογής του προφίλ ανάφλεξης (PIP). Το σύστημα ανάφλεξης διπλού σπινθήρα με διανομέα (DIS) της Ford, εκμεταλλεύεται ένα δεύτερο αισθητήρα, (στην ίδια εγκατάσταση) για να αναγνωρίσει τον πρώτο κύλινδρο. Αυτό ονομάζεται σήμα αναγνώρισης του πρώτου κυλίνδρου (CID). Η Chrysler ξεκίνησε να χρησιμοποιεί αισθητήρες με το ντεμπούτο του κινητήρα Omni/Horizon 1.7L το 1978 και το συνέχισε και σε επερχόμενα μοντέλα. Ο αισθητήρας τοποθετήθηκε στον διανομέα και το έλασμα ήταν μέρος της συναρμολόγησης του ρότορα. Αυτός ο τύπος δούλευε με ένα 12βολτο κύκλωμα το οποίο έστελνε σήμα στην Ηλεκτρονική Αναλογία Ανάφλεξης ή στον Υπολογιστή για τον έλεγχο της ανάφλεξης. Αργότερα στην δεκαετία του ’80 η Chrysler εισήγαγε το σύστημα DIS και οι αισθητήρες Χολ άλλαξαν τοποθεσίες εγκατάστασης και σχεδιασμό. Ένας αισθητήρας τοποθετημένος στο στρόφαλο, διαβάζει την ταχύτητα του κινητήρα όπως περνάνε οι 3 ομάδες των 4 κόμβων του στρόφαλου από μπροστά του. Ο αισθητήρας του εκκεντροφόρου, που είναι τοποθετημένος στην κεφαλή της μηχανής, βλέπει την θέση του, από τα δόντια του. Αυτοί οι αισθητήρες Χολ τροφοδοτούνται από ρεύμα τάσης 8 βολτ και η έξοδος τους είναι τάσης 5 έως 0 βολτ στον ‘εγκέφαλο’ της μηχανής. Όλοι οι αισθητήρες Χολ έχουν 3 καλώδια για να λειτουργήσουν. Το ένα από αυτά μεταφέρει την τάση παροχής και το δεύτερο καλώδιο γειώνει τον αισθητήρα. Και τα δυο τροφοδοτούνται από την Αναλογία Ανάφλεξης ή τον ‘εγκέφαλο’. Το τρίτο καλώδιο είναι η μπαρέτα. Αυτό το καλώδιο είναι η έξοδος του αισθητήρα στον Υπολογιστή. Η τάση αυξάνεται, συνήθως στην τάση της μπαταρίας και μετά μειώνεται σχεδόν στο μηδέν με την κίνηση των διάκενων και των ελασμάτων που εξηγήθηκαν νωρίτερα. Το σήμα είναι σχεδόν τετράγωνο και έτσι δεν χρειάζεται μετατροπέας για να γίνει ψηφιακό για να διαβαστεί από τον υπολογιστή. Αυτός μετράει τον χρόνο μεταξύ των παλμών και υπολογίζει τον απαιτούμενο χρονισμό και τροφοδοσία καύσιμου, ανάλογα με τις στροφές του κινητήρα. Για να λειτουργήσει σωστά ένας αισθητήρας Χολ, πρέπει να έχει την κατάλληλη τάση και γείωση. Εάν οποιαδήποτε σύνδεση διακοπεί ο αισθητήρας δεν δουλεύει. Επίσης ένα βραχυκύκλωμα στην γείωση ή στην τροφοδοσία ή στο καλώδιο εξόδου μηδενίζει την ένδειξη στο στροφόμετρο.! Η συσκευή αυτή αποτελείται από ολοκληρωμένο κύκλωμα (τσιπ) πυριτίου, μέσω των αντίθετων άκρων του οποίου διέρχεται ρεύμα μικρής έντασης. Όταν στην κύρια επιφάνεια του τσιπ δημιουργηθεί μαγνητικό πεδίο, μια διαφορά δυναμικού (τάση) εμφανίζεται μεταξύ των δύο άκρων του. Το δυναμικό αυτό ονομάζεται τάση Χολ και χρησιμοποιείται για την ενεργοποίηση του σπινθήρα ανάφλεξης όταν το μαγνητικό πεδίο διαφοροποιηθεί – το τελευταίο επιτυγχάνεται μέσω ενός δίσκου με μεταλλικά τμήματα πτερυγίων. Το μαγνητικό πεδίο συνήθως δημιουργείται μέσω ενός μικρού μόνιμου μαγνήτη στις αντίθετες πλευρές του διακένου από το τσιπ Χολ. Σημειώστε ότι τα πτερύγια του δίσκου θα διακόψουν το μαγνητικό πεδίο καθώς περνούν ανάμεσα στο διάκενο μεταξύ του μόνιμου μαγνήτη και του στοιχείου Χολ. Τυπικά, το τσιπ λαμβάνει ένα ρεύμα της τάξεως των 30mA περίπου και παρέχει ένα σήμα τάσης Χολ των 2mV, που όμως επηρεάζεται από το συντελεστή θερμοκρασίας – η τάση Χολ αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το τσιπ είναι συνήθως ενσωματωμένο σε ένα άλλο ολοκληρωμένο κύκλωμα, που παρέχει σήμα, κυματομορφή και ενίσχυση. Τα τσιπ Χολ-IC, έχουν την γεννήτρια Χολ προσαρμοσμένη στο κέντρο του τσιπ – σημειώστε ότι το μέγεθός του είναι μόλις 1,5 x 1.6 mm.