Hall-Effekt verstehen: Funktionsweise von Hall-Sensoren

In diesem Tutorial lernen Sie, was der Hall-Effekt ist und wie Hall-Effekt-Sensoren funktionieren. Sie können das folgende Video ansehen oder den schriftlichen Leitfaden unten lesen.

Überblick

Der Hall-Effekt ist die gängigste Methode zur Messung magnetischer Felder. Hall-Sensoren sind weit verbreitet und finden sich in zahlreichen modernen Anwendungen: in Fahrzeugen als Raddrehzahl- sowie Kurbelwellen- oder Nockenwellensensoren, als Schalter, MEMS-Kompass, Näherungssensoren und mehr. Wir betrachten einige dieser Sensoren und ihre Funktionsweise, doch zuerst erklären wir den Hall-Effekt selbst.

Was ist der Hall-Effekt?

Ein Experiment veranschaulicht den Effekt: Eine dünne leitfähige Platte wird von einem Strom durchflossen. Die Ladungsträger fließen in gerader Linie von einer Seite zur anderen.

Bringen wir nun ein Magnetfeld in die Nähe der Platte, wird der geradlinige Fluss der Ladungsträger durch eine Kraft gestört – die Lorentzkraft. Elektronen werden zu einer Seite abgelenkt, positive „Löcher“ zur anderen. Legt man nun ein Messgerät zwischen die anderen beiden Seiten an, misst man eine Spannung – die Hall-Spannung.

Dieser Effekt – das Entstehen einer messbaren Quer-Spannung – wird Hall-Effekt genannt, nach Edwin Hall, der ihn 1879 entdeckte.

Hall-Effekt-Sensoren

Das grundlegende Hall-Element liefert nur sehr kleine Spannungen von wenigen Mikrovolt pro Gauss. Daher werden diese Bauelemente meist mit integrierten Hochverstärkern gefertigt.

Es gibt zwei Haupttypen: Sensoren mit analogem und solche mit digitalem Ausgang.

Analoge Hall-Sensoren

Ein analoger Sensor besteht aus Spannungsregler, Hall-Element und Verstärker. Der Ausgang ist analog und proportional zur Hall-Spannung bzw. zur magnetischen Feldstärke. Aufgrund ihres kontinuierlichen linearen Ausgangssignals eignen sie sich ideal für Näherungsmessungen.

Digitale Hall-Sensoren

Digitale Sensoren liefern nur zwei Zustände: „EIN“ oder „AUS“. Sie enthalten zusätzlich einen Schmitt-Trigger, der Hysterese (zwei verschiedene Schaltschwellen) bereitstellt, sodass der Ausgang sauber hoch oder niedrig ist. Details zum Schmitt-Trigger finden Sie in meinem separaten Tutorial.

Ein Beispiel ist der Hall-Effekt-Schalter. Er dient oft als Endschalter, z. B. in 3D-Druckern und CNC-Maschinen, sowie zur Detektion und Positionierung in der industriellen Automation.

Drehzahl- und Positionserfassung in Motoren

Weitere verbreitete Anwendungen: Messung von Rad-/Rotordrehzahl (U/min) sowie Bestimmung der Kurbelwellen- oder Nockenwellenposition in Motorsystemen. Diese Sensoren bestehen aus einem Hall-Element und einem Permanentmagneten, die in Nähe eines Zahnrads auf der rotierenden Welle platziert sind.

Der Abstand zwischen Sensor und Zähnen ist sehr klein. Jedes Mal, wenn ein Zahn vorbeiläuft, ändert sich das umgebende Magnetfeld, was den Sensorausgang auf High oder Low schaltet. Das Ergebnis ist ein Rechtecksignal, aus dem sich die Drehzahl einfach berechnen lässt.