霍尔传感器在汽车点火装置中的应用

【摘 要】霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

【关键词】电动发动机 点火系统 信号

点火系统是汽油发动机重要的组成部分，点火系统的性能良好与否对发动机的功率、油耗和排气污染等影响很大。汽车在行驶中出现的发动机工作不良，点火系统的故障占了好大的比例。因此，具有性能优良、工作可靠的点火系统，一直是广大汽车设计、制造和使用者所努力追求的。点火系统的电子化，使得点火系统的点火性能进一步提高，工作可靠性加强，这对降低发动机的油耗和排污，提高发动机的动力性，、经济性和工作可靠性都起了很大的作用，使电子点火系统特别是使用了微机控制的电子点火系统其维修的难度也相应增加了。

1 霍尔式点火系统结构

霍尔效应式无触点电子点火系统的组成及特点：该系统主要由内装信号发生器的分电器、电子点火器、点火线圈、高压线、火花塞等组成。（霍尔效应式电子点火系统的组成 如图1所示），该系统具有触发信号强度稳定、点火正时精度高、工作电压范围宽、质量稳定、耐久性好、点火能量高且不受发动机转速影响高速不断火低速耗能少、起动可靠等优点，在现代汽车上得到广泛的应用。如：桑塔纳、捷达、红旗轿车等。

图 1霍尔效应式电子点火系统的组

1.1 霍尔信号发生器

霍尔信号发生器是根据霍尔效应原理制成的，它装在分电器内。霍尔信号发生器的示意图和基本结构如图2所示，它由触发叶轮和霍尔传感器组成。触发叶轮像传统分电器的凸轮一样，套装在分电器轴的上部，它可以随分电器轴一起转动，又能相对分电器轴作少量转动，以保证离心调节装置正常工作。触发叶轮的叶片数与气缸数相等，其上部套装分火头，与触发叶轮一起转动。霍尔信号发生器是一个有源器件，它需要提供电源才能工作，霍尔信号集成块的电源由点火器提供。霍尔集成电路输出级的集电极为开路输出形式，其集电极的负载电阻设置在点火器内。霍尔信号发生器有三根引出线且与点火器件相连接，其中一根是电源输入线，一根是霍尔信号输出线，一根是接地线。

图2 霍尔式点火信号发生器

1.2 霍尔效应

霍尔效应如图3 所示，厚度为 d 的N型半导体薄片上垂直作用了磁感应强度为 B 的磁场，若在一个方向上通以电流 I，N型半导体中多数载流子为电子――它沿与电流的相反方向运动，带电粒子在磁场中的运动会受到洛伦兹力 FL 的作用，洛伦兹力 FL 的方向由左手定则决定，洛伦兹力的作用结果，使带电粒子偏向 c，d 电极，在垂直于 B 和 I 的方向上产生一感应电动势 VH，该现象称为霍尔效。所产生的电动势 VH 称为霍尔电势。

图3 霍尔效应

1.3 霍尔集成电路

霍尔传感器由带导板（导磁）的永久磁铁和霍尔集成块组成，触发叶轮的叶片在霍尔集成块和永久磁铁之间转动。霍尔集成块包括霍尔元件和集成电路，由于霍尔信号发生器工作时，霍尔元件产生的霍尔电压UH是约20mV，信号很微弱，还需进行信号处理，这一任务由集成电路完成。霍尔元件产生霍尔电压信号（UH），还要经过放大、脉冲整形，最后以整齐的矩形脉冲波（方波）输出，输出可达几百mV。霍尔信号集成块的原理框图如图4所示。

图4 霍尔信号集成块的原理

2 霍尔传感器点火的工作原理

触发叶轮转动时，每当叶片进入永久磁铁与霍尔集成块之间的空气隙时，霍尔集成块中的磁场即被触发叶轮的叶片所旁路（或称隔磁），如图5 汽车霍尔式分电器示意图，这时霍尔元件不产生霍尔电压，集成电路输出级的晶体管处于截止状态，信号发生器输出高电位。当触发叶轮的叶片离开空气隙时，永久磁铁的磁通便通过霍尔集成块和导板构成回路，这时霍尔元件产生霍尔电压，集成电路输出级的晶体管处于导通状态，信号发生器输出低电位。

图5 汽车霍尔式分电器示意图

（1）带缺口的触发器叶片；（2）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系；（3）叶片位置与点火正时的关系。1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）。

由上可知，叶片进入空气隙时信号发生器输出高电位，叶片离开空气隙时，信号发生器输出低电位。分电器不停地转动，上述方波便不断产生。霍尔信号发生器完成功能时的波形如，汽车电子点火电路及波形图图6所示，信号发生器输出方波中，高低电位的时间比由触发叶轮叶片的分配角（叶片宽度）决定。桑塔纳轿车用分电器高低电位的时间比为7：3。点火器就是靠信号发生器输入这样的方波信号进行触发并控制点火系工作的。

图6 汽车电子点火电路及波形

（1）电路；（2）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形。

3 结语

与传统点火系相比，霍尔效应式电子点火系统用霍尔信号发生器代替凸轮，用电子点火控制器代替白金触点，从而减少了零件的磨损，保证了点火系统的可靠性。并且不受灰尘、油污的影响，发动机起动性能好，它不受发动机转速的影响，明显地增强了发动机的起动性能，有利于低温或其他恶劣条件下起动。霍尔传感器在汽车点火装置中目前已经得到广泛的应用

参考文献：

[1] 麻友良.汽车点火系统原理与故障检修实例[M].机械工业出版社，2010.

[2] 林妙山.汽车电气设备与检修[M].化学工业出版社，2009.

[3]贺建波，贺展开.汽车传感器的检测――现代汽车技术丛书[M].机械工业出版社，2005（2）.