سیستم جرقه الکترونیکی از نوع اثر هال

از اوایل دهه ۱۹۷۰ میلادی، با رشد شتابان قطعات نیمه‌هادی، صنعت خودرو دستخوش تحولی بزرگ شد. بسیاری از سیستم‌های کنترلی از حالت مکانیکی به الکترونیکی تغییر یافتند و سیستم جرقه نیز به دلیل نقش حیاتی در احتراق، جزو اولین پیشگامان این تغییر بود. در میان تکنولوژی‌های مختلفی که برای جایگزینی پلاتین ابداع شد، سیستم جرقه زنی با سنسور اثر هال به دلیل دقت بی‌نظیر و خروجی دیجیتال خود، جایگاه ویژه‌ای یافت. در این مقاله، به بررسی فنی این سیستم، اجزای تشکیل‌دهنده آن و برتری‌های آن نسبت به سایر مدل‌های الکترونیکی می‌پردازیم

 سیستم‌ جرقه از نوع اثر هال؛ دقت دیجیتال در خدمت احتراق

همانطور که در بخش معرفی سیستم جرقه الکترونیکی اشاره شد. تفاوت اصلی بین سیستم‌های جرقه الکترونیکی دلکو دار، در واحد سنسور مورداستفاده در آنها است. سنسور اثر هال یکی از معروف‌ترین سنسورهای موقعیت سنجی (دورسنجی) است. این سنسورها معمولاً برای اندازه‌گیری سرعت دوران با بررسی موقعیتی خاص روی یک محور دورانی استفاده می‌شوند.برخلاف سیستم جرقه زنی مگنتی که ولتاژ خروجی آن با تغییر دور موتور نوسان دارد، سیستم اثر هال ولتاژی کاملاً ثابت و دیجیتال تولید می‌کند. سنسور اثر هال برای اندازه‌گیری دور موتور، دور میل سوپاپ، دور چرخ (سنسور ABS) ، سنسور زاویه گردش غربیلک فرمان و بسیاری از موارد دیگر استفاده می‌شود. در مقاله انواع سنسور میل سوپاپ به این مدل نیز اشاره شده است.

اجزا اصلی سیستم جرقه از نوع اثر هال

اجزا اصلی این سیستم به‌صورت ساده در شکل 1 نشان‌داده‌شده است.

شکل 1- اجزا اصلی سیستم جرقه از نوع اثرهال

واحد سنسور حتماً در داخل دلکو به‌جای واحد پلاتین قرار می‌گیرد. اما در مورد واحد ماژول جرقه یا Igniter باید گفت در برخی دلکو ها این واحد در داخل نصب می‌شود. اما در برخی دیگر به‌صورت یک عضو مجزا در بیرون از دلکو قرار می‌گیرد.

دلکو (Distributor) در سیستم اثر هال

دلکو مورداستفاده در این سیستم‌ها از نظر ظاهری تفاوت خاصی با سایر دلکو‌ها ندارند؛ اما در برخی از دلکو‌های از این نوع، واحد آوانس خلایی مشاهده نمی‌شود. معمولاً بخش igniter آوانس‌های موردنیاز را تعیین می‌کند. شکل 2 نوعی دلکو اثر هال را نشان می‌دهد.

شکل 2- نمونه دلکو با سنسور از نوع اثرهال

سنسور اثر هال و ماژول جرقه

همانطور که اشاره شد یکی از سنسورهایی که برای تعیین موقعیت (مخصوصاً یک قطعه در حال دوران) استفاده می‌شود. سنسور اثر هال است. شکل 3 اساس کار این سنسور را نشان می‌دهد.

شکل 3- اساس کار سنسور اثرهال

اثر هال در سال 1879 توسط اقای ادوین هال کشف شد. خاصیت اثر هال را میتوان به این صورت شرح داد، هرگاه یک رسانای خاص ( که به واحد اثر هال شناخته میشود یا ترانزیستور اثر هال ) که به جریان الکتریکی متصل است تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار گیرد، بخشی از الکترون های جریان اصلی عبوری، از مسیر خود منحرف شده و عمود بر مسیر خارج میشوند.
شکل 3 این مورد را نشان میدهد. بنابراین به صورت حداقلی سنسورهای از نوع اثرهال دارای سه سیم هستند .دو سیم تغذیه مثبت و منفی و سیم سوم را اصطلاحا سیم سیگنال می‌نامند.
باتوجه‌به موارد اشاره شده هر مجموعه سنسور اثر حال باید حداقل دو عضو داشته باشد. یک آهنربا برای ایجاد میدان مغناطیسی و یک واحد اثر هال (Hall effect device)، اما وجود این دو کافی نیست باید به نحوی فاصله این دو را کم‌وزیاد کرد تا بتوان اثر دلخواه را ایجاد کرد. در سیستم‌هایی که حرکت دورانی دارند دو استراتژی برای این کار استفاده می‌شود. استراتژی اول را در شکل 4 مشاهده می‌کنید.

شکل 4- استراتژی نوع اول استفاده از سنسور اثرهال برای موقعیت‌های دورانی

مشاهده می‌شود موقعیت آهنربا و واحد اثر هال طوری قرار داده می‌شود که فاصله آنها نسبت به یکدیگر تغییر کند و همین تغییر فاصله، سبب خرج الکترون‌ها به‌صورت عمود بر مسیر حرکت را فراهم می‌کند که به‌عنوان یک سیگنال می‌توان آن را در نظر گرفت. سنسور میل سوپاپ، سنسور موقعیت دریچه گاز، سنسور سطح روغن‌موتور از این روش استفاده کرد.
اما استراتژی دوم که عموماً در دلکوهای الکترونیکی استفاده می‌شد. هم واحد اثر هال و هم آهنربا ثابت هستند؛ اما در فاصله بین آن دو توسط عضو دیگری حرکت می‌کند. شکل 5 این نمونه را نشان می‌دهد.

1- واحد اثرهال 2- آهنربا 3- پره
شکل 5- استراتژی دوم استفاده از سنسور اثرهال – کاربرد در دلکو

در شکل 5 ملاحظه می‌شود روتور دارای تعدادی پره است که این پره‌ها از فضای بین واحد اثر هال و آهنربا عبور می‌کنند. هر بار که یک پره بین آهنربا و واحد اثر هال قرار می‌گیرد، باتوجه‌به اینکه جنس پره از نوع آهنی است، میدان مغناطیسی بین آهنربا و پره روتور برقرار می‌شود و در نتیجه تأثیر آن روی واحد اثر حال تغییر خواهد کرد. منحنی تولیدی در سیم سیگنال این سنسور به‌صورت دیجیتال و موج مربعی است. نمونه سیگنال خروجی این سنسور را در شکل 6 ملاحظه می‌شود.

شکل 6- نمونه سیگنال تولید سنسور اثرهال

محدوده ولتاژ تولیدی سیگنال در این محدوده بین 0 تا 5 ولت است؛ اما دلکو هایی وجود دارد که سیگنال خروجی آن تا 7 ولت نیز بالا می‌رود. محدوده ولتاژ ارتباط مستقیم با واحد Igniter دارد ؛ بنابراین می‌توان نتیجه گرفت نمی‌توان واحد Igniter مدل‌های مختلف را به‌جای یکدیگر استفاده کرد؛ چون دامنه عملکرد ولتاژی آنها متفاوت است.
سنسور اثر هال نسبت به سنسور القایی دقت بیشتری دارد و سیگنال خروجی آن نیز دیجیتال است. اما در این سنسور افزایش دور موتور نمی‌تواند باعث افزایش زمان داول شود؛ بنابراین واحد igniter این نوع دلکو پیچیده‌تر از واحد سنسور القایی است؛ چون باید موارد تناسب داول با دور موتور را نیز ایجاد کند. معمولاً این واحد دیگر igniter خوانده نمی‌شود؛ بلکه به‌عنوان ignition Module شناخته می‌شود که علاوه بر تعیین زمان قطع‌شدن مدار سیم‌پیچ اولیه بر اساس سیگنال دریافتی از واحد سنسور اثرهال، میزان دور موتور را نیز در نظر گرفته و تغییرات ضروری را ایجاد می‌کند تا حالت Misfiring در این سیستم کاهش بیابد.

ماژول جرقه با دریافت سیگنال از سنسور، با کمک اجزای الکترونیکی سیستم جرقه مانند ترانزیستورهای سوئیچینگ، جریان کویل را قطع و وصل می‌کند. خرابی سنسور هال معمولاً باعث قطع کامل جرقه می‌شود؛ برای یادگیری روش تست این سنسور با ولت‌متر، مطلب عیب‌یابی سیستم جرقه را مطالعه کنید