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Passive Komponenten

Hall-Sensoren

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Der Hall-Effekt

Hall-Sensoren sind Wandler, deren Ausgangsspannung von der Stärke und der Richtung eines Magnetfeldes abhängig ist. Die Funktionsweise beruht auf dem sogenannten Hall-Effekt, der nach dem amerikanischen Physiker Edwin Hall (* 1855, † 1938) benannt wurde. Ausgelöst durch die Lorenzkraft entsteht in einem stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld, befindet eine Spannung, die sog. Hallspannung

2. Herleitung

2.1 Elektizität und Magnetismus

Im Jahre 1820 war der dänische Physiker, Chemiker und Naturphilosoph Hans Christian Oersted (* 14. August 1777 in Rudkøbing; † 9. März 1851) Professor für Physik an der Universität Kopenhagen.

Angeblich während einer Vorlesung beobachtete er, dass eine Kompassnadel in der Nähe eines elektrischen Leiters abgelenkt wird, wenn durch diesen ein Strom fließt. So entdeckte er die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms und damit den Zusammenhang von Elektrizität und Magnetismus, die bis dahin als zwei eigenständige Phänomene galten.

Abb. 2.01. zeigt den Zusammenhang zwischen Technischer Stromrichtung und Magnetfeldausrichtung. Die Eselsbrücke "Rechte-Hand-Regel" ist nur bei der Technischen Stromrichtung gültig.
Abb. 2.01. zeigt den Zusammenhang zwischen Technischer Stromrichtung und Magnetfeldausrichtung. Die Eselsbrücke "Rechte-Hand-Regel" ist nur bei der Technischen Stromrichtung gültig.

Oersted hat entdeckt, dass um einen stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld entsteht. Die Feldlinien dieses Magnetfelds sind senkrecht zum Strom ausgerichtet. Die Ausrichtung des Magnetfelds zum Strom ist abhängig von der Stromrichtung. Je nach Betrachtungsweise der Stromrichtung (Technische Stromrichtung (von Plus nach Minus) oder Physikalische Stromrichtung (= Elektronenfluss von Minus nach Plus) gelten unterschiedliche Regeln.

Rechte-Hand-Regel

Zeigt der Daumen der rechten Hand in die Technische Stromrichtung, weisen die Finger in Richtung von Süden nach Norden des Magnetfeldes um den Leiter.

2.2 Lorentz-Kraft

Die Lorentz-Kraft ist eine Kombination von zwei verschiedenen Kräften: der Elektrischen Kraft und der Magnetischen. Die Lorentzkraft ist die Kraft, die ein magnetisches Feld auf bewegliche Ladungsträger, z.B. Elektronen, Ionen oder Löcher ausübt.

Die Lorentz-Kraft ist das Bindeglied zwischen Elektrizität und der Mechanik.

Abb. 2.02: Leiterschaukel
Abb. 2.02: Leiterschaukel

Die wohl anschaulichste Weise die Lorentz-Kraft nachzuweisen ist die Leiterschaukel:
Ein Hufeisenmagnet erzeugt direkt zwischen seinen Polen ein nahezu homogenes Magnetfeld, dessen Feldlinien senkrecht vom Nordpol zum Südpol ausgerichtet sind. in diesem Magnetfeld befindet sich ein beweglich aufgehängtes Leiterstück aus einem nicht-ferromagnetischen Material, wie z.B. Kupfer oder Aluminium. Solange kein Strom durch den Leiter fließt können das Magnetfeld und der nicht-ferromagnetische Leiter nicht interagieren. Die Schaukel bewegt sich nicht.

Fließt ein Strom durch den Leiter, erzeugen die sich im Leiter bewegenden Elektronen ein Magnetfeld dessen Richtung von der Richtung des Stroms anhängt. Das Magnetfeld des Hufeisenmagneten und das um den Leiter interagieren und eine Kraft wirkt auf die Ladungsträger. Diese sogenannte Lorentzkraft lenkt die Schaukel mit dem Leiterstück aus.

Abb. 2.03: Dreifingerregel für die rechte Hand (bei technischer Stromrichtung)
Abb. 2.03: Dreifingerregel für die rechte Hand (bei technischer Stromrichtung)
  • Die Lorentzkraft ist am größten, wenn die Richtung des Magnetfeldes des Magnets und die Stromrichtung in einen 90°-Winkel zueinander stehen.
  • Die Richtung der Auslenkung ist abhängig von der Richtung des Stroms und der des Magnetfelds.
  • Die Stärke der Auslenkung ist abhängig von der Stromstärke und der Stärke des Magnetfelds.

2.3 Hall-Effekt

Abb. 2.04: Durch den Hall-Effekt kommt es zu einer Ladungstrennung im Leiter.
Abb. 2.04: Durch den Hall-Effekt kommt es zu einer Ladungstrennung im Leiter.

Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld (B), werden die Ladungsträger, wie im Kapitel zuvor beschrieben, durch die Lorentz-Kraft (FL) abgelenkt. Dadurch entsteht innerhalb des Leiters quer zur Stromrichtung (I) ein Konzentrationsgefälle von Ladungsträgern. Auf einer Seite des Leiters herrscht ein Elektronenmangel, auf der gegenüberliegenden Seite eine Ladungsträgerhäufung. Zwischen beiden Seiten entsteht eine Spannung, die als Hall-Spannung (UH) bezeichnet wird.

Die Hall-Spannung steht senkrecht zur Stromfluss- und Magnetfeldrichtung am Leiter (= Hall-Generator) an. Die Höhe der Hall-Spannung ist im Wesentlichen von vier Faktoren abhängig:

  • der Stromstärke I
  • der magnetischen Flussdichte B
  • der Dicke d des Hallgenerators.
  • der Hall-Konstanten AH, einer temperaturabhängigen Materialkonstanten, die in Kubikmeter pro Coulomb (m³/C) angegeben wird.
Tabelle 1: Hall-Konstanten einiger Materialien. Die angegebenen Werte der Hall-Konstante streuen stark. Dies hängt einerseits von der Reinheit des Materials und andererseits von der Temperatur ab. (Quelle: Wikipedia)
Tabelle 1: Hall-Konstanten einiger Materialien. Die angegebenen Werte der Hall-Konstante streuen stark. Dies hängt einerseits von der Reinheit des Materials und andererseits von der Temperatur ab. (Quelle: Wikipedia)

 

Besitzt die Hall-Konstante einen positiven Wert, handelt es sich um einen Löcherleiter, bei einem negativen Wert handelt es sich um einen (überwiegend) Elektronenleiter.

Metalle haben viele freie Ladungsträger, die sich allerdings nur langsam bewegen können. Halbleiter haben relativ wenig freie Ladungsträger, die sich aber schnell bewegen können. Daher ist bei Halbleitern der Hall-Effekt wesentlich ausgeprägter als bei Metallen.
Manche Metalle, z.B. Aluminium, haben eine positive Hall-Konstante, obwohl nur  (negativ geladene) Elektronen als Ladungsträger wirken. Das Verhalten wie ein Löcherleiter ist auf die besondere Bandstruktur dieser Stoffe zurückzuführen.

Die Höhe einer Hall-Spannung kann für Metalle und stark dotierte Halbleiter bestimmt werden:

Berechnung Hall-Spannung für Metalle und stark dotierte Halbleiter

3. Aufbau und Funktionsweise

Abb. 3.01: Hall-Sensor TLE4945 im PG-SSO-3-2-Package
Abb. 3.01: Hall-Sensor TLE4945 im PG-SSO-3-2-Package

Hall-Generatoren können zumeist nicht direkt verwendet werden, da der Hall-Effekt nur schwach ausgeprägt ist und die von ihnen erzeugte Hall-Spannung zu gering und zu stark temperaturabhängig ist. Um einen anwendbaren Hall-Sensor zu erhalten, wird der Hallgenerator daher in einer CMOS-Schaltung eingebettet. Abb. 3.02 zeigt das Blockbild der viel verwendeten Hall-Sensorreihe TLE 49x5 von Infineon.

Die den Hall-Generator umgebende Schaltung besteht aus:

  • Einer Verpolungsschutzdiode
  • Einer Referenzspannungsquelle, die eine Konstantspannung für den Hall-Generator und eine Betriebsspannung für die anderen Stufen liefert.
  • Einem Verstärker mit folgendem Schmitt-Trigger als Schaltstufe.
  • Die Schaltschwellen, d.h. die Empfindlichkeit des Sensors, werden in einem Schaltschwellengenerator festgelegt. 
  • Die Ausgangsschaltung ist hier ein Open-Collektor-Transistor. Je nach Sensortyp ist die Ausgangsinformation entweder ein digitales Schaltsignal oder eine der Magnetfeldstärke proportionalen analoge Gleichspannung.
Abb. 3.02: Blockbild TLE 4945
Abb. 3.02: Blockbild TLE 4945

4. Anwendungsbeispiele

Die Hauptanwendung von Hall-Sensoren ist der Nachweis und die Messung von Magnetfeldern. Sie können Dreh- und Linearbewegungen erfassen: Mit einem kleinen Permanentmagneten am Rotor eines Motors kann beispielsweise dessen Drehzahl gemessen werden. Treibt dieser Motor eine Pumpe an, kann daraus die Fördermenge bestimmt werden. In einen Servo-Regelkreis eingebunden, kann die Geschwindigkeit und Phasenlage (Position) des Motors stabilisiert werden.

In Joysticks dienen Hallsensoren zur Erkennung der Position. In Tastaturen erkennen sie welche Taste gedrückt wird.
Mit in Stromzangen eingebauten Hallsensoren lassen sich berührungslos auch große Strome messen.

Als Näherungsschalter können sie die Position von z.B. Maschinenteilen erfassen oder Sicherheitsfunktionen auslösen.

Hall-Sensoren arbeiten berührungslos und verschleißfrei, ihre Lebensdauer ist daher praktisch unbegrenzt.

 

 

Zuletzt bearbeitet am 8. September 2018.

 

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