Hallův jev a snímače polohy.

Moderní automobilové motory jsou vybaveny automatickým řízením palivového a zapalovacího systému, které využívá informace z mnoha senzorů k nastavení začátku a trvání dodávky paliva a (u zážehových systémů) načasování dodávky jisker do válců. /p>

Mezi takové senzory, které umožňují přesné určení okamžiků dodávky další dávky paliva a jiskry do válců motoru, patří fázové senzory a senzory polohy klikového hřídele, které ve své práci využívají jev objevený téměř před stoletím a půl americkým fyzikem Edwinem Herbertem Hallem (Edwin Herbert Hall, 1855-1938), což se nazývá Hallův jev.

Co je Hallův jev? Podstata tohoto jevu je dostatečně jednoduchá na to, aby ji pochopil každý moderní školák obeznámený s podstatou elektřiny a magnetismu. Ale v roce 1879, kdy E. Hall učinil svůj objev, to vědeckému světu jistě otevřelo oči pro mnoho jevů v okolním světě.

Edwin Hall vzal tenký obdélníkový zlatý talíř (obr. 1), umístil ji do konstantního magnetického pole a propustil jí proud, který spojil protilehlé okraje desky (na obrázku 1 – plochy C a D) ke zdroji stejnosměrného proudu. V důsledku pečlivých měření zjistil, že mezi bočními plochami desky (plochy A a B) vznikl potenciální rozdíl, tj. napětí. Toto napětí bylo samozřejmě zanedbatelně malé, ale faktem zůstal fakt – v kovu vznikl příčný EMF, který „hnal“ část nabitých částic na jednu z bočních ploch.

Moderní fyzika vysvětluje podstatu tohoto jevu následovně.
Když nabité částice pohybující se podél vodiče (libovolného, ne nutně zlaté destičky) procházejí magnetickým polem, působí na ně síly popsané Holanďanem H. Lorentzem (deset let po objevu E. Halla) a částice se odchylují od přímočaré trajektorie. To znamená, že pokud je vodič s proudem umístěn v magnetickém poli kolmém k trajektorii nabitých částic (elektronů, iontů), odchýlí se od přímočaré trajektorie a jedna strana vodiče se stane zápornou a druhá odpovídajícím způsobem kladnou.

Praktické využití jevu objeveného E. Hallem bylo realizováno až po desetiletích. Potenciální rozdíl vznikající mezi okraji vodiče s proudem byl velmi malý a po dlouhou dobu zůstával tento úžasný jev pouze předmětem laboratorního výzkumu.
Například bylo zjištěno, že různé materiály používané v experimentech jako vodiče proudu vytvářejí na hranách potenciálový rozdíl, který je specifický pouze pro daný materiál, což umožňuje identifikovat jakoukoli látku pomocí jednoduché metody.

Následně, když se objevily různé zesilovače napětí, nejprve elektronkové a poté polovodičové, se efekt objevený Hallem dočkal důstojného a poměrně širokého uplatnění v mnoha oblastech strojírenství, včetně automobilového průmyslu.
Skutečný triumf Hallova jevu se shodoval s rozsáhlým používáním počítačových zařízení schopných provádět příkazy ve formě elektrických signálů mnohem rychleji než mechanická zařízení. Právě od této doby Hallovy senzory způsobily skutečnou revoluci ve složité technologii používané člověkem pro praktické potřeby. Kompaktní a snadno vyrobitelná zařízení umožnila nahradit objemné a nespolehlivé mechanismy v mnoha strojích.

Jak fungují senzory, které využívají Hallův jev ke generování signálů odesílaných do řídicích jednotek motoru? U automobilových motorů jsou takové senzory instalovány pro sledování polohy vačkového hřídele (fázový senzor) a polohy klikového hřídele (snímač polohy klikového hřídele). Oba senzory pomáhají palubnímu počítači (OBC) vozidla pochopit polohu pístů a ventilů motoru a na tomto základě „rozhodnout“ o době přívodu paliva a jiskry do válce.

Senzory se skládají z elektromagnetické cívky, ve které je umístěn magnetický obvod ve formě polovodičové nebo kovové destičky vyrobené ze speciálních slitin. Do cívky je přiváděn stejnosměrný proud z palubní sítě vozidla a kolem ní se vytváří konstantní magnetické pole, které v desce indukuje Hallovo elektromagnetické pole a vytváří tak určitý potenciálový rozdíl mezi jejími protilehlými okraji.
Pokud se k takovému senzoru přivede kus magneticky vodivého kovu, pak se v důsledku narušení magnetického toku změní intenzita pole, což se okamžitě projeví v potenciálovém rozdílu mezi okraji desky a vytvoří se proudový a napěťový impuls.
To je vlastně všechna moudrost. Příklad takového snímače polohy klikového hřídele je znázorněn na Obrázek 2, b.

Náš senzor s cívkou a magnetickým obvodem umístíme někde v oblasti vačkového nebo klikového hřídele a na hřídel připevníme speciální kovovou destičku ve tvaru disku se štěrbinami, okny nebo jinými značkami, které při průchodu kolem senzoru způsobí narušení magnetického toku a potenciálového rozdílu.
Zbývá už jen sladit značky na takových impulsně iniciujících deskách s okamžikem, kdy je nutné dát počítači signál, že hřídel (klikový hřídel nebo vačkový hřídel) je v určité poloze.

Použití těchto jednoduchých zařízení umožnilo zcela opustit tak složitou jednotku v zapalovacím systému, jako je jistič. Jak je známo, slabinou jakéhokoli mechanismu je přítomnost pohyblivých částí a spojení, které jsou náchylné k opotřebení a selhání.
Kontaktní systémy, které ovládaly zapalovací cívku sepnutím a rozepnutím dvou elektrických kontaktů, byly pro motoristy obzvláště problematické. Kontakty se neustále spalovaly, mezera mezi nimi vyžadovala seřízení a systém často nefungoval správně.
Následně byly tyto přerušovače nahrazeny vylepšenými zařízeními využívajícími Hallův jev ve formě cívky umístěné v pouzdře takového přerušovače, uzavřené kovovým (magneticky vodivým) kelímkem s bočními štěrbinami. Iniciační prvek (kovová konzola nebo deska) se otáčí společně s hřídelí přerušovače a při průchodu štěrbinami kalíšku indukuje v závitech cívky elektrický impuls, který po zesílení slouží k ovládání zapalovací cívky. Tato konstrukce umožnila odstranit kontakty v přerušovači.

Další vylepšení této konstrukce vedla k opuštění masivní cívky v přerušovačích tohoto typu a byly do nich instalovány miniaturní senzory se štěrbinou v magnetickém obvodu, kterou periodicky procházela rotující kovová deska upevněná na hřídeli přerušovače (rýže. 2, a).

Jistič, což je poměrně složité mechanické zařízení s pohyblivými částmi, však stále pronásledoval konstruktéry a vynálezce, kteří se snažili zjednodušit a zlepšit spolehlivost zapalovacího systému.

Další fází zdokonalování zapalovacího systému bylo úplné odmítnutí přerušovače, jehož funkci převzaly snímače polohy využívající Hallův jev a různé pulzní iniciátory ve formě desek se štěrbinami nebo okny, upevněných přímo na hřídelích, jejichž polohu je nutné kontrolovat. Taková zařízení prakticky postrádají přidružené pohyblivé části, proto jsou v provozu nesrovnatelně spolehlivější než zapalovací systémy využívající přerušovače různých typů a provedení.

Konstrukčně lze snímače polohy využívající Hallův jev vyrobit v různých provedeních – drážkované, kdy se deska na hřídeli pohybuje ve speciální drážce na magnetickém obvodu, nebo koncové, umístěné vedle iniciační desky.
Koncové senzory se obvykle používají jako senzory polohy klikového hřídele a drážkové senzory se často používají jako fázové senzory. Tento konstrukční rozdíl však není významný – princip fungování takových senzorů je koneckonců stejný a je založen na jevu, který před mnoha lety objevil Edwin Hall.