Hall-Effekt-Sensor
Hall-Effekt-Sensoren erfassen die magnetische Feldstärke und -richtung eines Permanentmagneten oder Elektromagneten. Der Ausgang des Hall-Effekt-Sensors ist eine Funktion seines Magnetfelds und kann sowohl positive als auch negative Magnetfelder erkennen.
Funktionsprinzip des Hall-Effekt-Sensors
Ein externes Magnetfeld aktiviert Hall-Effekt-Sensoren. Magnetfelder werden durch die Flussdichte (B) und ihre magnetischen Pole, beispielsweise Nordpol oder Südpol, dargestellt. Der Magnetismus um den Hall-Effekt-Sensor bestimmt dessen Ausgangssignal. Wenn die magnetische Flussdichte der Umgebung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, erzeugt der Sensor eine Hall-Spannung VH.
Halbleitersensoren sind p-Typ-Halbleiter wie Galliumarsenid (GaAs), Indiumarsenid (InAs) und Indiumantimonid (InSb), die Gleichstrom leiten. Das Halbleitermaterial erfährt bei Vorhandensein eines Magnetfelds eine Kraft, die dazu führt, dass sich sowohl Elektronen als auch Löcher zu den Seiten der Halbleiterschicht bewegen. Wenn sich Elektronen und Löcher zu beiden Seiten bewegen, entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den verschiedenen Seiten der Halbleiter. Bei flachen rechteckigen Materialien hat ein äußeres Magnetfeld senkrecht zum Halbleitermaterial einen größeren Einfluss auf die Elektronenmobilität.
Der Hall-Effekt zeigt den Magnetpoltyp und seine Feldstärke. Beispielsweise liegt an einem Pol des Magneten Spannung an, am anderen jedoch nicht. Hall-Effekt-Sensoren sind normalerweise „aus“ und wirken wie ein offener Stromkreis, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist. Sie sind nur unter einem stark polarisierten Magnetfeld geschlossen (geschlossener Stromkreis).
Eigenschaften des Hall-Effekt-Magnetsensors
Die Hallspannung (V H ) des Hall-Effekt-Sensors ist eine Funktion seiner magnetischen Feldstärke (H). Die meisten kommerziellen Hall-Effekt-Geräte enthalten Gleichstromverstärker, Schaltlogikschaltungen und Spannungsregler, um die Sensorempfindlichkeit und Ausgangsspannungen zu verbessern. Dadurch kann der Hall-Effekt-Sensor mehr Leistung und Magnetfelder verarbeiten.
Schaltplan des Hall-Effekt-Magnetsensors
Die semiaktiven Sensoren verfügen über lineare oder digitale Ausgänge. Die Ausgangsspannung des Linearsensors steht in direktem Zusammenhang mit dem durch den Hallsensor fließenden Magnetfeld und wird von einem Operationsverstärker ausgegeben.
Hall-Effekt-Spannungsgleichung
Die Ausgangsspannungsgleichung ergibt sich aus:
Hier, V H bezeichnet die Hallspannung, R H bezeichnet den Hall-Effekt-Koeffizienten, I bezeichnet den Strom, t bezeichnet die Dicke und B steht für die magnetische Flussdichte. Lineare oder analoge Sensoren erzeugen eine konstante Spannung, die bei stärkeren Magnetfeldern zunimmt und bei schwächeren Feldern abnimmt. Bei einem Hall-Effekt-Sensor erhöht sich mit zunehmender Stärke des Magnetfelds das Ausgangssignal des Verstärkers, bis die Stromversorgung gesättigt ist. Eine Erhöhung des Magnetfelds führt zu einer Sättigung des Ausgangs, hat aber keine Auswirkung:
Wenn der Ausgang des Hall-Sensors einen vorgegebenen Wert des durch ihn fließenden magnetischen Flusses überschreitet, schalten die Kontakte schnell vom „geschlossenen“ Zustand in den „offenen“ Zustand um, ohne zu springen. Diese eingebaute Hysterese verhindert, dass das Ausgangssignal schwankt, wenn sich der Sensor in das Magnetfeld bewegt. Das bedeutet, dass der digitale Ausgangssensor nur die Zustände „Ein“ und „Aus“ hat.
Hall-Effekt-Sensortypen
Es gibt zwei Arten von Hall-Effekt-Sensoren: bipolare Hall-Effekt-Sensoren und unipolare Hall-Effekt-Sensoren. Unipolare Sensoren können funktionieren und sich entladen, wenn sie in ein Magnetfeld mit dem gleichen magnetischen Südpol eintreten und es verlassen, während bipolare Sensoren für den Betrieb und die Entladung sowohl positive als auch negative Magnetfelder benötigen. Aufgrund ihrer 10-20-mA-Ausgangstreiberfähigkeit können die meisten Hall-Effekt-Geräte hohe Stromlasten nicht direkt schalten. Für hohe Stromlasten wird dem Ausgang ein NPN-Transistor mit offener Kollektoranordnung hinzugefügt.
Anwendungen der Hall-Effekt-Sensoren
Die Hall-Effekt-Sensoren werden bei Vorhandensein von Magnetfeldern eingeschaltet und von einem einzelnen Permanentmagnettyp auf einer beweglichen Welle oder einem beweglichen Gerät gesteuert. Um die Empfindlichkeit zu maximieren, müssen die magnetischen Flusslinien in allen Konfigurationen senkrecht zum Sensorfeld und mit der richtigen Polarisation verlaufen.
1: Direkte Erkennung
Dazu ist es erforderlich, dass das Magnetfeld senkrecht zum Hall-Effekt-Detektor verläuft, wie unten gezeigt:
Diese Technik erzeugt ein Ausgangssignal V H , das die magnetische Flussdichte in linearen Geräten als Funktion des Abstands vom Hall-Effekt-Sensor misst. Die Ausgangsspannung steigt mit der Stärke des Magnetfelds und seiner Nähe.
2: Seitwärtserkennung
Es erfordert einen indirekten magnetischen Fluss, während sich der Magnet seitwärts über das Hall-Effekt-Element bewegt.
Seitliche oder bewegliche Sensoren können die Geschwindigkeit rotierender Magnete oder Motoren messen, indem sie das Magnetfeld erfassen, das in einem bestimmten Abstand vom Luftspalt auf der Oberfläche des Hall-Elements gleitet.
Abhängig von der Position des Magnetfelds, das durch die Nullfeld-Mittellinie des Sensors verläuft, kann eine positive oder negative lineare Ausgangsspannung erzeugt werden. Es bestimmt vertikale und horizontale Bewegungen.
3: Positionskontrolle
Der Positionsdetektor bleibt im „Aus“-Zustand, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist. Sobald sich der Südpol des Magneten senkrecht in die Nähe des Hall-Effekt-Sensors bewegt, schaltet sich das Gerät ein und die LED leuchtet. Beim Einschalten befindet sich der Hall-Effekt-Sensor im „EIN“-Zustand.
Um die LED auszuschalten, muss das Magnetfeld unter seinen minimal erkennbaren Auslösepunkt fallen, oder es kann auch mit dem gegenüberliegenden Nordpol mit negativem Gauß-Wert konfrontiert werden.
Abschluss
Die Hall-Effekt-Sensoren werden zur Richtungserkennung und Messung der Stärke magnetischer Felder eingesetzt. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter in der Automobilindustrie, in der Näherungserkennung, bei der Frontal-, Seitwärts- und Positionserkennung für verschiedene Magnetfelder.