Was ist Hall-Effekt und wie Hall-Effekt-Sensoren funktionieren

In diesem Tutorial lernen wir, was Hall-Effekt ist und wie Hall-Effekt-Sensoren funktionieren. Sie können sich das folgende Video ansehen oder das schriftliche Tutorial unten lesen.

Übersicht

Der Hall-Effekt ist die gebräuchlichste Methode zur Messung von Magnetfeldern, und die Hall-Effekt-Sensoren sind sehr beliebt und haben viele zeitgenössische Anwendungen. Sie finden sich beispielsweise in Fahrzeugen als Raddrehzahlsensoren sowie als Kurbelwellen- oder Nockenwellenpositionssensoren. Sie werden auch oft als Schalter, MEMS-Kompass, Näherungssensoren und so weiter verwendet. 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, wie abgebildet, eine dünne leitfähige Platte haben und Strom durch sie fließen lassen, 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 geraden Fluss der Ladungsträger aufgrund einer Kraft namens Lorentzkraft (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. Das heißt, wenn wir jetzt einen Meter zwischen die beiden anderen Seiten legen, erhalten wir eine Spannung, die gemessen werden kann.

Der Effekt, eine messbare Spannung zu erhalten, wird, wie oben erklärt, Hall-Effekt genannt, nach Edwin Hall, der ihn 1879 entdeckte.

Hall-Effekt-Sensoren

Das grundlegende Hall-Element der Hall-Effekt-Magnetsensoren liefert meistens eine sehr kleine Spannung von nur wenigen Mikrovolt pro Gauss, daher werden diese Geräte normalerweise mit eingebauten Verstärkern mit hoher Verstärkung hergestellt.

Es gibt zwei Arten von Hall-Effekt-Sensoren, von denen einer einen analogen und der andere einen digitalen Ausgang liefert. Der analoge Sensor besteht aus einem Spannungsregler, einem Hall-Element und einem Verstärker. Aus den Schaltplänen können wir sehen, dass der Ausgang des Sensors analog und proportional zum Ausgang des Hall-Elements oder der Magnetfeldstärke ist. Diese Art von Sensoren sind aufgrund ihrer kontinuierlichen linearen Ausgabe für die Messung von Nähe geeignet und werden verwendet.

Andererseits liefern die digitalen Ausgangssensoren nur zwei Ausgangszustände, entweder „EIN“ oder „AUS“. Diese Art von Sensoren hat ein zusätzliches Element, wie in den Schaltplänen dargestellt. Das ist der Schmitt-Trigger, der eine Hysterese oder zwei verschiedene Schwellenwerte bietet, sodass der Ausgang entweder hoch oder niedrig ist. Weitere Einzelheiten zur Funktionsweise des Schmitt-Triggers finden Sie in meinem speziellen Tutorial dazu.

Ein Beispiel für diesen Sensortyp ist der Hall-Effekt-Schalter. Sie werden häufig als Endschalter verwendet, beispielsweise in 3D-Druckern und CNC-Maschinen, sowie zur Erkennung und Positionierung in industriellen Automatisierungssystemen.

Andere zeitgemäße Anwendungen dieser Sensoren sind die Messung der Rad-/Rotordrehzahl oder Drehzahl sowie die Bestimmung der Position von Kurbelwelle oder Nockenwelle in Motorsystemen. Diese Sensoren bestehen aus einem Hall-Element und einem Permanentmagneten, die in der Nähe einer auf der rotierenden Welle befestigten Zahnscheibe platziert 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.