Was ist der Hall-Effekt und wie funktionieren Hall-Effekt-Sensoren
In diesem Tutorial werden wir lernen, was der Hall-Effekt ist und wie Hall-Effekt-Sensoren funktionieren. Du kannst dir das folgende Video ansehen oder das schriftliche Tutorial unten lesen.
Der Hall-Effekt ist die gebräuchlichste Methode zur Messung des Magnetfeldes und die Hall-Effekt-Sensoren sind sehr beliebt und haben viele moderne Anwendungen. Sie sind zum Beispiel in Fahrzeugen als Raddrehzahlsensoren sowie als Kurbel- oder Nockenwellenpositionssensoren zu finden. Außerdem werden sie häufig als Schalter, MEMS-Kompasse, Näherungssensoren usw. eingesetzt. Jetzt werden wir einige dieser Sensoren durchgehen und sehen, wie sie funktionieren, aber zuerst wollen wir erklären, was der Hall-Effekt ist.
Was ist der Hall-Effekt?
Hier ist das Experiment, das den Hall-Effekt erklärt: Wenn wir eine dünne leitende Platte haben, wie abgebildet, und wir lassen Strom durch sie fließen, würden die Ladungsträger in einer geraden Linie von einer zur anderen Seite der Platte fließen.
Wenn wir nun ein Magnetfeld in die Nähe der Platte bringen, würden wir den geradlinigen Fluss der Ladungsträger durch eine Kraft, die Lorentz-Kraft (Wikipedia), stören. In einem solchen Fall würden die Elektronen auf eine Seite der Platte und die positiven Löcher auf die andere Seite der Platte abgelenkt. Wenn wir nun ein Messgerät zwischen die beiden anderen Seiten legen, erhalten wir eine Spannung, die gemessen werden kann.
Der Effekt, eine messbare Spannung zu erhalten, wie wir ihn oben erklärt haben, wird also Hall-Effekt genannt, nach Edwin Hall, der ihn 1879 entdeckt hat.
Hall-Effekt-Sensoren
Das grundlegende Hall-Element der Hall-Effekt-Magnetsensoren liefert meist nur eine sehr geringe Spannung von wenigen Mikrovolt pro Gauß, daher werden diese Geräte in der Regel mit eingebauten Hochverstärkern hergestellt.
Es gibt zwei Arten von Hall-Effekt-Sensoren, einen mit analogem und einen mit digitalem Ausgang. Der analoge Sensor besteht aus einem Spannungsregler, einem Hall-Element und einem Verstärker. Aus den Schaltplänen ist ersichtlich, dass der Ausgang des Sensors analog und proportional zum Ausgang des Hall-Elements oder der Magnetfeldstärke ist. Diese Art von Sensoren eignet sich wegen ihres kontinuierlichen linearen Ausgangs für die Messung von Näherungswerten.
Die Sensoren mit digitalem Ausgang liefern dagegen nur zwei Ausgangszustände, entweder „EIN“ oder „AUS“. Diese Art von Sensoren haben ein zusätzliches Element, wie in den Schaltplänen dargestellt. Das ist der Schmitt-Trigger, der eine Hysterese oder zwei verschiedene Schwellenwerte bietet, so dass der Ausgang entweder hoch oder niedrig ist. Weitere Einzelheiten zur Funktionsweise des Schmitt-Triggers finden Sie in meinem entsprechenden Tutorial.
Ein Beispiel für diese Art von Sensor ist der Hall-Effekt-Schalter. Sie werden häufig als Endschalter eingesetzt, z.B. in 3D-Druckern und CNC-Maschinen, sowie zur Erkennung und Positionierung in industriellen Automatisierungssystemen.
Andere moderne Anwendungen der Hall-Effekt-Sensoren sind die Messung der Rad-/Rotordrehzahl oder RPM sowie die Bestimmung der Position der Kurbel- oder Nockenwelle in Motorsystemen. Diese Sensoren bestehen aus einem Hall-Element und einem Dauermagneten, die in der Nähe einer an der rotierenden Welle befestigten Zahnscheibe angebracht sind.
Der Spalt zwischen dem Sensor und den Zähnen der Scheibe ist sehr klein, so dass jedes Mal, wenn ein Zahn in der Nähe des Sensors vorbeigeht, das umgebende Magnetfeld verändert wird, was dazu führt, dass der Ausgang des Sensors entweder hoch oder niedrig wird. Der Ausgang des Sensors ist also ein Rechtecksignal, das leicht zur Berechnung der Drehzahl der rotierenden Welle verwendet werden kann.