Was ist ein Hall-Effekt-Sensor?

Hall-Effekt-Element: Definition und Prinzip

Definition

Ein Hall-Effekt-Element ist ein speziell entwickelter Wandler zur Messung von Magnetfeldern. Da eine direkte Messung eines Magnetfeldes nicht einfach ist, dient der Hall-Effekt-Wandler als wertvolles Werkzeug. Er funktioniert, indem er das Magnetfeld in eine elektromotorische Kraft (emf) umwandelt, eine elektrische Größe, die sowohl mit analogen als auch digitalen Messgeräten bequem gemessen werden kann. Diese Umwandlung ermöglicht die Quantifizierung und Analyse der Stärke und Eigenschaften von Magnetfeldern in verschiedenen Anwendungen.

Prinzip des Hall-Effekt-Wandlers

Das zugrunde liegende Prinzip des Hall-Effekt-Wandlers basiert auf einem faszinierenden physikalischen Phänomen. Wenn ein Stromtragender Leiterstreifen in ein queres Magnetfeld gebracht wird, wird eine elektromotorische Kraft (EMF) an den Kanten des Leiters induziert. Die Stärke der erzeugten Spannung ist direkt proportional zur Dichte des durch den Leiter gehenden magnetischen Flusses. Diese einzigartige Eigenschaft von Leitern, bei der die Anwesenheit eines Magnetfeldes und eines elektrischen Stroms interagieren, um eine messbare Spannung zu erzeugen, wird als Hall-Effekt bezeichnet.

Sowohl Metalle als auch Halbleiter zeigen den Hall-Effekt, wobei die Stärke und das Verhalten dieses Effekts von der Dichte und Mobilität ihrer Elektronen abhängen. Um dieses Prinzip besser zu verstehen, betrachten Sie das im folgenden Bild dargestellte Hall-Effekt-Element. In dieser Anordnung wird ein elektrischer Strom über die Anschlüsse 1 und 2 zugeführt, während die Ausgangsspannung an den Anschlüssen 3 und 4 gemessen wird. Wenn kein Magnetfeld auf den Leiterstreifen wirkt, sind die Anschlüsse 3 und 4 auf dem gleichen elektrischen Potential.

Wenn ein Magnetfeld auf den Streifen angewendet wird, wird eine Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 3 und 4 erzeugt. Diese induzierte Spannung ist direkt proportional zur Stärke des Magnetfeldes. Mathematisch kann die Beziehung für die Ausgangsspannung VH durch die folgende Formel beschrieben werden:

I ist der Strom in Ampere und B ist die Flussdichte in Wb/m²

Hall-Effekt-Wandler: Messfähigkeiten und Anwendungen

Messfähigkeiten

Sowohl der durch den Leiter fließende Strom als auch die Stärke des Magnetfeldes können durch die Analyse der Ausgangsspannungen eines Hall-Effekt-Wandlers bestimmt werden. Allerdings ist die durch den Hall-Effekt erzeugte elektromotorische Kraft (EMF) in Leitern in der Regel sehr gering, was eine genaue Messung erschwert. Im Gegensatz dazu erzeugen Halbleiter wie Germanium eine relativ größere EMF. Dieses größere Signal kann leicht mit beweglichen Spuleninstrumenten gemessen werden, was Halbleiter für viele Hall-Effekt-basierte Messanwendungen praktikabler macht.

Anwendungen von Hall-Effekt-Wandlern

Der Hall-Effekt-Wandler findet aufgrund seiner einzigartigen Fähigkeit, magnetische Phänomene in elektrische Signale umzuwandeln, in verschiedenen Bereichen breite Anwendung. Einige seiner wichtigsten Anwendungen sind wie folgt:

1. Magnetisch-elektrische Transduktion

Eine der Hauptanwendungen des Hall-Effekt-Elements ist die Umwandlung von magnetischem Fluss in ein elektrisches Signal. Um Magnetfelder zu messen, wird ein Halbleitermaterial in das interessierende Magnetfeld platziert. Als Ergebnis entsteht eine Spannung an den Enden der Halbleiterstreifen. Diese Spannung ist direkt proportional zur Dichte des Magnetfeldes, was eine Quantifizierung der Feldstärke ermöglicht.

Hall-Effekt-Wandler bieten mehrere Vorteile. Sie benötigen wenig Platz, was sie für kompakte Designs geeignet macht. Zudem liefern sie ein kontinuierliches elektrisches Signal, das die Stärke des Magnetfeldes genau widerspiegelt. Allerdings haben sie auch eine bemerkenswerte Einschränkung: eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen. Diese Empfindlichkeit bedeutet, dass eine Kalibrierung oft für jeden einzelnen Messfall erforderlich ist, um genaue und verlässliche Ergebnisse zu gewährleisten.

2. Verschiebungsmessung

Hall-Effekt-Elemente werden auch zur Messung der Verschiebung von Strukturelementen eingesetzt. Zum Beispiel kann man sich eine ferromagnetische Struktur vorstellen, die mit einem Permanentmagneten integriert ist.

In Verschiebungsmessungsanwendungen wird ein Hall-Effekt-Wandler zwischen den Polen eines Permanentmagneten positioniert. Wenn die Position eines ferromagnetischen Bauteils innerhalb dieser magnetischen Feldanordnung verändert wird, ändert es die vom Hall-Effekt-Element empfundene magnetische Feldstärke. Diese Änderung der magnetischen Feldstärke wird dann in eine entsprechende Änderung der Ausgangsspannung des Wandlers übersetzt, was eine präzise Messung der Verschiebung der ferromagnetischen Struktur ermöglicht. Diese nicht-invasive Methode bietet eine zuverlässige Möglichkeit, die Bewegung mechanischer Teile in verschiedenen Systemen, wie industriellen Maschinen oder robotischen Armen, zu überwachen.

3. Strommessung

Der Hall-Effekt-Wandler bietet eine höchst bequeme und sichere Methode zur Messung des elektrischen Stroms, da er eine Strommessung ohne direkte physische Verbindung zwischen dem Leiterkreis und dem Messgerät ermöglicht. Egal ob Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC), wenn auf einen Leiter angewendet, erzeugt er ein Magnetfeld um den Leiter. Die Stärke dieses Magnetfeldes ist direkt proportional zur Stärke des angelegten Stromes. Dieses Magnetfeld induziert wiederum eine elektromotorische Kraft (emf) über die Streifen des Hall-Effekt-Wandlers. Die Stärke dieser induzierten EMF hängt von der Stärke des Magnetfeldes ab, was mit dem durch den Leiter fließenden Strom zusammenhängt. Durch die Messung dieser induzierten EMF kann der Wert des Stromes genau bestimmt werden, wodurch Hall-Effekt-Wandler ideal für Strommessungen in einer Vielzahl von elektrischen Systemen, von Stromversorgungsnetzen bis hin zu elektronischen Geräten, sind.

4. Leistungsmessung

Hall-Effekt-Wandler werden auch zur Messung der Leistung eines elektrischen Leiters eingesetzt. Wenn ein Strom durch den Leiter geleitet wird, erzeugt er ein Magnetfeld, dessen Intensität direkt mit der Stärke des Stromes korreliert. Dieses Magnetfeld induziert dann eine Spannung über die Streifen des Hall-Effekt-Wandlers. Durch die Verwendung eines Multiplizierschaltkreises in Verbindung mit dem Wandler kann die Ausgangsspannung des Multipliziers so eingestellt werden, dass sie proportional zur im Leiter dissipierten Leistung ist. Dieser Ansatz ermöglicht eine effiziente und genaue Messung der elektrischen Leistung in verschiedenen Anwendungen, einschließlich elektrischer Energiesysteme, wo die Überwachung von Energieverbrauch und -fluss für die Energiemanagement und Systemoptimierung entscheidend ist.