Was ist ein Hall-Sensor: Funktionsprinzip, Aufbau und Prüfverfahren

Sensoren sind Wandler, die eine physikalische Größe in eine andere umwandeln (in der Regel eine elektrische Größe) und werden häufig in Haushalts- und Industriegeräten eingesetzt. Ohne sie ist es sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich, Prozessparameter wie Druck und Durchfluss (von Gas oder Flüssigkeit) zu messen, zu digitalisieren und zu verarbeiten, TemperaturDruck, Füllstand, magnetische oder elektrische Feldstärke, usw. Einer der am weitesten verbreiteten Sensoren ist der Hall-Sensor - er wird sowohl in Haushaltsanwendungen (angefangen bei Smartphones oder Laptops) als auch in den anspruchsvollsten Industrieanlagen eingesetzt.

Der Hall-Effekt - Funktionsprinzip

Der Effekt wurde 1879 von dem amerikanischen Physiker Edwin Hall entdeckt und ist nach ihm benannt. Das Wesen des Phänomens besteht darin, dass, wenn man eine Metallplatte nimmt und einen elektrischen Strom durch sie fließen lässt (in der Richtung AB in der Abbildung) und dann mit einem Magnetfeld auf die Platte einwirkt, wie z. B. das von einem Dauermagneten erzeugte, eine Potenzialdifferenz in der Richtung senkrecht zum Stromfluss (CD in der Abbildung) entsteht.

Dieser Effekt ist auf die Lorentzkraft zurückzuführen, die auf die bewegten Ladungen wirkt und sie in eine Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung verschiebt. Dadurch entsteht an den Rändern der Platte eine Potenzialdifferenz, die gemessen oder zur Betätigung von Aktoren (durch Verstärkung) verwendet werden kann. Dieser Unterschied hängt davon ab:

• die Stärke des fließenden Stroms;
• die magnetische Feldstärke;
• die Konzentration der freien Ladungsträger im Leiter.

Das Phänomen ist nach seinem Entdecker benannt: der Hall-Effekt.

Arten und Aufbau von Hallsensoren

Dieser Effekt, der im vorletzten Jahrhundert entdeckt wurde, hat eine praktische Anwendung gefunden. Es ist die Grundlage für Magnetfeldsensoren. Ihr Vorteil ist, dass sie keine beweglichen oder reibenden Elemente haben (im Gegensatz zu Reed-Schaltern), so dass ihre Zuverlässigkeit viel höher ist. Nach ihrem Sensitivitätsprinzip industrielle Sensoren Hallsensoren werden unterteilt in:

• unipolar (reagiert nur auf einen Magnetpol - Nord oder Süd);
• bipolar (aktiviert durch ein Magnetfeld der gleichen Polarität, deaktiviert durch ein Magnetfeld der entgegengesetzten Polarität);
• omnipolar - reagiert auf beide Pole eines Magneten.

Die Potenzialdifferenz, die durch ein Magnetfeld entsteht, das auf bewegte Ladungen wirkt, ist eine Einheit, bestenfalls einige zehn Mikrovolt. Für praktische Anwendungen reicht dies nicht aus, die Potenzialdifferenz muss verstärkt werden. Diese Verstärker sind direkt in das Sensorgehäuse eingebaut, und die Geräte werden je nach Art des Verstärkers in zwei Klassen unterteilt.

1. Analog. Die Spannung am Sensorausgang ist proportional zum Magnetfeld (sie hängt von der Stärke des Magneten und dem Abstand zu ihm ab). Sie basieren auf Operationsverstärkern und können zur Messung von Magnetfeldern eingesetzt werden.
2. Digital. Nach dem Verstärker wird der Komparator oder ein Schmitt-Trigger. Die Ausgangsspannung springt von Null auf einen hohen Wert (in der Regel auf die Höhe der Versorgungsspannung), wenn die magnetische Induktion einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Diese Sensoren werden zum Bau von Magnetrelais oder Impulsgebern verwendet. Das verstärkte Signal der Platte wird dem Schwellenwertgerät zugeführt. Wenn der eingestellte Wert erreicht ist, wird der Sensor ausgelöst. Der Ansprechpegel kann durch Veränderung des Abstands zwischen Sensor und Magnetfeldquelle eingestellt werden.

Hall-Sensor-Anwendungen

Die häufigste Anwendung für Hallsensoren im Haushalt sind berührungslose Zündsysteme für Fahrzeuge. Sie haben den Vorteil, dass es keine mechanischen Kontaktgruppen gibt. Das bedeutet, dass es keine Abnutzung, kein Verbrennen der Kontakte und kein Risiko eines mechanischen Ausfalls gibt.

Das Verteilersystem besteht aus einer Platte mit Vorsprüngen, die von der Kurbelwelle des Motors in Drehung versetzt wird, einem Dauermagneten und dem Hall-Sensor selbst. Wenn sich die Platte dreht, treffen die Vorsprünge in einem genau definierten Moment, der durch die Position der Kurbelwelle bestimmt wird, auf den Spalt zwischen Sensor und Magnet, wodurch sich das Magnetfeld verändert. Der Sensor erzeugt Impulse, die mit der Drehung der Kurbelwelle synchronisiert sind und die Spannung an der Hochspannungsspule zu den gewünschten Zeitpunkten regulieren. Magnetfeldsensoren im Fahrzeug werden auch verwendet, um die Position der Kurbelwelle zu ermitteln.

Eine weitere Anwendung für magnetisch empfindliche Sensoren ist die Bestimmung der Position von Elektromotor-Rotoren. Das Relaiselement ist am Stator des Motors angebracht und wird ausgelöst, wenn der Pol überfahren wird. Dieses Prinzip kann für den Bau eines Geschwindigkeitszählers oder eines Geschwindigkeitsmessers verwendet werden.

Geräte, die auf dem Hall-Effekt basieren, werden in Laptops oder mobilen Geräten eingesetzt - als Indikator für die geschlossene Position des Deckels. Wenn der Sensor ausgelöst wird, geht der Computer in den Ruhezustand oder schaltet sich ab. Und in Smartphones hat ein Sensor, der auf das Erdmagnetfeld reagiert, unter anderem die Aufgabe, den Betrieb eines elektronischen Kompasses zu organisieren.

Analoge Hallsensoren werden in Messgeräten eingesetzt, bei denen das Magnetfeld ausgewertet werden muss. Sie sind unverzichtbar für die berührungslose Messung des Stromflusses in einem Leiter. Wenn Strom durch einen Leiter fließt, entsteht bekanntlich ein Magnetfeld um ihn herum. Ihre Stärke hängt von der Stärke des Stroms ab. Bei Wechselstrom kann das Feld mit anderen Mitteln gemessen werden (z. B. mit einem Stromwandler), bei Gleichstrom ist ein Hallsensor unerlässlich. Das ist das Prinzip, nach dem Gleichstromzangen funktionieren.

Die exotischste Anwendung des Hall-Effekts ist der Bau von Ionen-Raketentriebwerken, die auf seinem Prinzip beruhen.

Prüfung eines Hallsensors

Um den Sensor zu testen, können Sie eine einfache Schaltung aufbauen, die neben dem Sensor selbst Folgendes erfordert

• Eine Stromversorgung mit der richtigen Spannung;
• einen Widerstand Widerstand von etwa 1 kΩ;
• LED;
• Magnet.

Wenn keine LED zur Verfügung steht, kann stattdessen ein Multimeter (und ein Strombegrenzungswiderstand) verwendet werden. Multimeter (Digital- oder Multifunktionsmessgerät) im Modus Spannungsmessung.

Es gibt keine besonderen Anforderungen an die Stromversorgung - die Ströme in der Schaltung sind recht gering. Seine Spannung muss innerhalb der Versorgungsspannung des zu prüfenden Sensors liegen. Schließen Sie die LED mit der Anode an die Plus-Seite der Spannungsquelle und mit der Kathode an den Ausgang des zu prüfenden Geräts an, da der Sensor in der Regel als offener Kollektor ausgeführt ist (es ist jedoch besser, im Datenblatt nachzusehen).

Das Prüfverfahren hängt von der Art des zu prüfenden Geräts ab.

1. Um einen unipolaren digitalen Sensor zu testen, halten Sie einen Magneten mit einem Pol in Richtung des Sensors. Die LED sollte aufleuchten (der Pfeil des Voltmeters sollte ausschlagen oder der Messwert des digitalen Testers sollte sich sprunghaft verändern). Der Stromkreis sollte in seine ursprüngliche Position zurückkehren, wenn der Magnet über eine größere Distanz entfernt wird. Wenn der Sensor nicht funktioniert, drehen Sie den Magneten in die andere Richtung und wiederholen Sie den Vorgang. Wenn die LED blinkt, ist der Sensor in Betrieb. Bleibt der Erfolg in einer der beiden Positionen des Magneten aus, ist das Gerät für den Einsatz ungeeignet.
2. Der bipolare Digitalsensor wird mit einer ähnlichen Methode getestet, nur dass die LED bei einer Magnetposition aufleuchtet und nicht erlischt, wenn die Magnetfeldquelle entfernt wird. Der Stromkreis sollte nicht auf weitere Manipulationen mit demselben Pol reagieren. Wenn Sie den Magneten umdrehen und in umgekehrter Polarität an den Sensor bringen, sollte die LED erlöschen. Dies zeigt an, dass das zu prüfende Gerät ordnungsgemäß funktioniert. Wenn der Stromkreis nicht funktioniert, ist der Sensor defekt.
3. Ein omnipolarer digitaler Hallsensor wird auf die gleiche Weise geprüft wie ein unipolarer Sensor, aber das magnetempfindliche Gerät sollte bei jeder Magnetposition auslösen.

Analoge Sensoren werden nach der gleichen Methode wie digitale Sensoren geprüft, aber die Ausgangsspannung sollte sich nicht plötzlich ändern, sondern gleichmäßig, wenn die Magnetkraft zunimmt (z. B. bei Annäherung an einen Dauermagneten oder zunehmendem Strom in der Elektromagnetwicklung).

In der Praxis stellt sich die interessante Frage, wie der Hallsensor in der berührungslosen Zündanlage eines Autos überprüft werden kann. Ziehen Sie dazu den Stecker vom Sensor ab und bauen Sie die angegebene Schaltung direkt an den Stiften auf.

Auch hier kann die LED durch ein Multimeter ersetzt werden. Wenn Sie die Kurbelwelle des Fahrzeugs von Hand drehen, können Sie ein intermittierendes Blinken der LED oder eine Änderung der Ausgangsspannung von Null bis ungefähr zur Bordspannung des Fahrzeugs beobachten. Eine alternative Möglichkeit zur Überprüfung in der Werkstatt besteht darin, das Gerät vorübergehend durch einen bekannt guten Ersatzsensor zu ersetzen.

Der Hall-Sensor hat eine breite Anwendung in Haushalt und Industrie gefunden. Wenn Sie wissen, wie das Gerät funktioniert, können Sie es leicht auf Fehler überprüfen.

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