Hall-Effekt-Sensoren: Funktionsprinzip, 5 wichtige Anwendungen

Inhaltsübersicht:

  • Einleitung
  • Magnetsensoren
  • Hall-Effekt-Sensoren
  • Was ist die Hall-Spannung (V.H)?
  • Hall-Koeffizient (R.H)
  • Aufbau von Hall-Effekt-Sensoren
  • Symbol des Hall-Effekt-Sensors
  • Funktionsprinzip von Hall-Effekt-Sensoren
  • Hall-Effekt-Experiment
  • Analog und Digital Hall-Effekt-Sensor
  • Art der Hall-Effekt-Sensoren
  • Anwendungen von Hall-Effekt-Sensoren

Magnetsensoren

Magnetsensoren sind Geräte, die von erzeugte Magnetfelder erfassen und analysieren können Magnet oder aktuell. Sie können für verschiedene Arten von Anwendungen verwendet werden, z. B. um die Änderung der Position und des Winkels eines Magnetfelds zu erfassen, um die Änderung der Stärke oder der Richtung des angelegten Magnetfelds zu erfassen usw.

Es gibt verschiedene Arten von Magnetsensoren wie Hall-Effekt-Sensoren (Hall-Schalter, lineare Hall-Sensoren usw.), die zum Erfassen einer Änderung der Stärke des Magnetfelds verwendet werden, und Magneto-Resistive-Sensoren zum Erfassen einer Änderung der Richtung des Magnetfelds Winkelsensoren zum Erfassen einer Änderung des Winkels eines Magnetfelds, 3D-Hallsensoren und magnetische Geschwindigkeitssensoren. Hall-Effekt-Sensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen wie Näherungssensoren, Positions- und Geschwindigkeitsmessungen usw. eingesetzt. Sie werden sogar in Computerdruckern, Pneumatikzylindern, Computertastaturen usw. verwendet.

Magnetsensoren sind im Allgemeinen Festkörpergeräte, die aufgrund ihrer hohen Präzision und Genauigkeit, ihres berührungslosen Betriebs, ihrer vergleichsweise geringen Wartungskosten, ihres kompakten Designs usw. heutzutage sehr gefragt sind. Heute sind sie kernlose Magnetsensoren für verschiedene Arten von Sensoren Industrielle Anwendungen sind beispielsweise verfügbar. Versiegelte Hall-Effekt-Geräte sind wasserdicht und so konstruiert, dass sie auch Vibrationen widerstehen.

Magnetsensoren werden in Automobilsystemen häufig verwendet, insbesondere zur Analyse der Position der Autositze, Sicherheitsgurte und zur Steuerung des Airbagsystems sowie zur Erfassung der Raddrehzahl für das Antiblockiersystem (ABS).

Hall-Effekt-Sensoren

Hall-Effekt-Sensoren sind Magnetsensoren, deren Leistung vom Magnetfeld oder der Magnetflussdichte um den Magnetsensor abhängt.

  • Das Wort "Halle" kam von Dr. Edwin Hall, der diesen Hall-Effekt zum ersten Mal entdeckte.
  • Wenn ein externes Magnetfeld senkrecht zu dem Objekt vorhanden ist, durch das Strom fließt, wird eine elektromotorische Kraft in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld und zum Strom erzeugt.
Hall-Effekt-Sensor
Hall-Effekt-Sensor Gerät 1880

Was ist die Hall-Spannung (V.H)?

Wenn im Magnetsensor ein externes Magnetfeld angelegt wird, wird es aktiviert. Die Ausgangsspannung des Hall-Effekt-Sensors ist proportional zur Stärke des angelegten Magnetfelds. Nachdem eine bestimmte Schwelle der magnetischen Flussdichte durch das externe Feld überschritten wurde, wird eine Ausgangsspannung erzeugt, die allgemein als bekannt ist Hallspannung (V.H).

Hall-Koeffizient (R.H)

Die Größe der Potentialdifferenz pro Einheitsdicke des Metallstreifens im Hall-Effekt, verteilt durch das Produkt aus magnetischer Intensität und Längsstromdichte.

Die Einheiten des Hall-Koeffizienten R.H werden in der Regel als vermittelt m3/ C oder Ω · cm / G..

Aufbau von Hall-Effekt-Sensoren:

Hallsensor Design

Hall-Effekt-Sensoren bestehen im Allgemeinen aus einem rechteckigen Halbleiterstück wie Indium Antimonit (InSb) oder Galliumarsenid (GaAs), bekannt als Hall-Sonde, montiert auf einem Aluminiumplatte und insgesamt im Sondenkopf abgedeckt. Ein Sondengriff aus einem nichtmagnetischen Material ist mit dem Sondenkopf so verbunden, dass die Ebene der rechteckigen Halbleiterplatte senkrecht zum Sondengriff steht.

Wenn das Gerät aktiviert ist, tritt ein kontinuierlicher Stromfluss durch den Halbleiter auf. Wenn die externen Magnetfeldlinien rechtwinklig zum Sondenkopf sind, so dass die abgeleiteten Linien durch den Sensor der Sonde durch die rechten Winkel verlaufen, entsteht eine Spannung, die als "Hall-Effekt" -Spannung bekannt ist, und das Gerät liefert einen Messwert der magnetischen Flussdichte (B) des äußeren Feldes.

Symbol des Hall-Effekt-Sensors:

Symbol
Hall-Effekt-Sensorsymbol, Bildnachweis - Grahamatwp at Englische WikipediaGemeinsames Hall-SensorsymbolCC BY-SA 3.0

Was ist ein Hall-Effekt-Wandler?

Funktionsprinzip von Hall-Effekt-Sensoren

  • Der Hall-Effekt-Sensor funktioniert hauptsächlich aufgrund der Wirkung der Lorentzkraft (es ist die Kraft, die ein geladenes Teilchen aufgrund eines elektrischen Felds oder eines magnetischen Felds erfährt, also einfach eine elektromagnetisch Feld).
  • Bei Vorhandensein eines vorhandenen externen Magnetfelds von ausreichender Größe werden die Elektronen in der Halbleiterplatte zu einer Kante der Platte abgelenkt, dh die Löcher und die Elektronen verschieben sich aufgrund der auf sie einwirkenden Lorentzkraft zu beiden Seiten der Platte.
  • Hierzu ist eine Seite des Halbleiters negativ geladen, und die gegenüberliegende Seite ist positiv geladen. Dies erzeugt einen Spannungsgradienten über die zwei gegenüberliegenden Seiten der rechteckigen Platte aufgrund der Akkumulation entgegengesetzter Ladungen an diesen beiden Seiten. Diese Spannung ist als Hall-Spannung (V) bekanntH), und der Effekt der Erzeugung dieser messbaren Hall-Spannung unter Verwendung eines externen Magnetfelds ist als Hall-Effekt bekannt.
  • Um eine Potentialdifferenz zu erzeugen, so dass eine messbare Spannung erzeugt wird, müssen die externen Magnetfeldlinien im rechten Winkel zu der Ebene stehen, in der der Strom durch die Platte fließt. Außerdem sollte eine korrekte Polarität bereitgestellt werden, damit die Hall-Effekt-Sensoren funktionieren.
Schaltungen
Hall-Effekt-Wandler funktioniert
  • Wenn sich die Elektronen und Löcher voneinander entfernen, wird ein Potentialgradient erzeugt und der Abstand nimmt zu, bis die Kraft aufgrund des elektrischen Feldes die vom Magnetfeld erzeugte Kraft ausgleicht. Wenn sich beide Kräfte ausgleichen, ändert sich der Strom nicht, und die an diesem Punkt und aus dieser magnetischen Flussdichte (B) erfasste Hall-Spannung wurde berechnet.                       
  • Wenn die Ausgangsspannung linear von der magnetischen Flussdichte abhängt, wird sie als lineare Hall-Effekt-Sensoren bezeichnet. Wenn die Ausgangsspannung bei unterschiedlicher magnetischer Flussdichte stark abnimmt, wird sie als Hall-Effekt-Schwellenwertsensor bezeichnet.
  • Wir haben von induktiven Sensoren gehört, die auf ein sich änderndes Magnetfeld reagieren, wenn sie einen Strom in einer Drahtspule induzieren und somit eine Spannung in ihrem Ausgang erzeugen. Daher können induktive Sensoren nur statische (sich nicht ändernde) Magnetfelder erfassen, während die Hall-Effekt-Sensoren sowohl sich ändernde als auch sich nicht ändernde Magnetfelder erfassen können.
  • Der Hall-Effekt-Sensor kann Informationen über die Art des zur Erzeugung der Spannung verwendeten Magnetpols und auch über die Größe der externen Magnetflussdichte (B) liefern. Mithilfe einer Gruppe von Sensoren können wir die relative Position des verwendeten externen Magneten ermitteln.
  • Die Ausgangsspannung des Hall-Effekt-Sensors ist im Allgemeinen recht klein, wie einige Mikrovolt, selbst wenn ein starkes externes Magnetfeld an den Sensor angelegt wird. Daher sind die meisten im Handel erhältlichen Hall-Effekt-Sensoren mit einem eingebauten Gleichstromverstärker und Spannungsreglern ausgestattet, um die Empfindlichkeit und Größe der Ausgangsspannung des Sensors zu verbessern.

Hall-Effekt-Experiment

Arbeiten
Hall-Effekt-Stromsensor mit geschlossener Schleife
Bildquelle: DrachenschreckHall-Effekt-Stromsensor mit geschlossenem RegelkreisCC BY-SA 3.0

Analoger und digitaler Hall-Effekt-Sensor

Der Ausgang des Hall-Effekt-Sensors kann entweder linear (analog) oder digital sein. Der Ausgang des linearen Hall-Effekt-Sensors ist direkt proportional zum externen Magnetfeld, dh die durch den Sensor fließende magnetische Flussdichte, und der Ausgang wird vom Ausgang des Differential-OP-AMP übernommen. Hall-Effekt Lineare (analoge) Sensoren haben einen kontinuierlichen Spannungsausgang, der sich je nach Stärke des externen Magnetfelds ändert.

Formel für Hall-Effekte Sensor:

Die Ausgabe des linearen Hall-Effekt-Sensors kann ausgedrückt werden als:

VH-Gleichung 1

Woher,

  • VH ist die Hallspannung
  • RH ist der Hall-Effekt-Koeffizient
  • I ist der Strom, der durch den Sensor fließt (Halbleiterplatte)
  • t ist die Dicke des Sensors
  • B ist die externe magnetische Flussdichte

Im Falle des Hall-Effekt-Digitalsensors wird der Ausgang vom Ausgang des OPAMP genommen, der wiederum mit einem eingebauten Schmitt-Trigger verbunden ist Hysterese wodurch Schwingungen in der Ausgangsspannung reduziert werden. In diesem Fall schaltet das Gerät nur dann vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand, wenn die externe Feldstärke höher als ein bestimmter Wert im Gerät ist.

Art der Hall-Effekt-Sensoren:

Je nach Art des für den Betrieb erforderlichen externen Magnetpols gibt es zwei Arten von Hall-Effekt-Sensoren.

  1. Bipolare
  2. Unipolar

Die beiden häufigsten Erfassungskonfigurationen in einem Hall-Effekt-Sensor mit einem einzelnen Magneten sind die frontale Erkennung und die seitliche Erkennung. Bei der Seitwärtserkennung ist es erforderlich, den Magneten seitlich vor der Fläche des Hall-Effekt-Elements zu bewegen. Während der frontalen Erkennung bewegt sich der Magnet senkrecht zur Ebene des Elements auf das Hallelement zu und von diesem weg.

Hall-Effekt-Kupplung
Hall-Effekt-Sensor im Motorlüfter verwendet
Bild-KreditФигушкиKupplung mit Hall-Effekt-SensorCC BY 2.0

Anwendungen von Hall-Effekt-Sensoren:

  • Positionssensor: Bei Betrieb im Ein/Aus-Modus, dh mit digitalem Ausgang, Erkennung des Auftretens von Magnetismus Materialien ist eine der wichtigsten industriellen Anwendungen von Hall-Effekt-Sensoren.
  • DC-Transformatoren: Der Hall-Effekt-Sensor wird zur Messung des magnetischen Gleichstromflusses verwendet, wodurch der Gleichstrom berechnet werden kann.
  • Tastaturschalter: Für einige Computertastaturen werden Hall-Effekt-Schalter verwendet. Aufgrund seiner vergleichsweise hohen Kosten ist es aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit auf den Bereich Luft- und Raumfahrt und Militär beschränkt.
  • Kraftstoffstandsanzeige: Der Hall-Effekt-Sensor erfasst die Position eines schwimmenden Elements mithilfe der Positionserfassung und wird als Kraftstoffstandsanzeige für Kraftfahrzeuge verwendet.
  • Elektrisches Laufband: Hallsensoren werden hier für Geschwindigkeitssensoren und auch für Notstopps aufgrund eines versehentlichen Sturzes verwendet. Der Bund des Benutzers im Laufband ist an einer Zugschnur befestigt, die wiederum an einem Magneten befestigt ist. Wenn der Benutzer versehentlich fällt, löst sich der Magnet und es kommt zu einer Unterbrechung der Stromversorgung, die die Maschine stoppt.

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