Was ist ein Hallsensor: Funktionsprinzip, Gerät und Methoden zum Testen der Leistung

Sensoren – Konverter von einer physikalischen Größe in eine andere (normalerweise in elektrische) werden häufig in Haushalts- und Industriegeräten verwendet. Ohne sie ist es sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, technologische Parameter wie Druck und Durchfluss (Gas oder Flüssigkeit) zu messen, zu digitalisieren und zu verarbeiten. Temperatur, Füllstand, magnetische oder elektrische Feldstärke usw. Einer der am weitesten verbreiteten Sensoren ist der Hallsensor – er wird sowohl im Alltag (beginnend mit Smartphones oder Laptops) als auch in der komplexesten Industrietechnik eingesetzt.

Hall-Effekt - Funktionsprinzip

Dieser Effekt wurde 1879 von dem amerikanischen Physiker Edwin Hall entdeckt und nach ihm benannt.Die Essenz des Phänomens besteht darin, dass, wenn Sie eine Metallplatte nehmen und einen elektrischen Strom durch sie leiten (in der Richtung AB in der Abbildung) und dann mit einem Magnetfeld auf die Platte einwirken, das beispielsweise von einem Permanentmagneten erzeugt wird. dann gibt es in der Richtung senkrecht zum Stromdurchgang (CD in der Abbildung ) eine Potentialdifferenz.

Dieser Effekt entsteht dadurch, dass die Lorentzkraft auf bewegte Ladungen wirkt und diese senkrecht zur Bewegungsrichtung verschiebt. Dadurch entsteht an den Rändern der Platte eine Potentialdifferenz, die gemessen oder zur Ansteuerung von Aktoren (Vorverstärkung) verwendet werden kann. Dieser Unterschied hängt ab von:

• von der Stärke des fließenden Stroms;
• von der Stärke des Magnetfelds;
• von der Konzentration freier Ladungsträger im Leiter.

Das Phänomen ist nach seinem Entdecker benannt – dem Hall-Effekt.

Arten und Anordnung von Hallsensoren

Der bereits im vorletzten Jahrhundert entdeckte Effekt fand praktische Anwendung. Darauf aufbauend werden Magnetfeldsensoren gebaut. Ihr Vorteil ist, dass sie keine beweglichen und reibenden Elemente haben (im Gegensatz zu Reedschaltern), sodass ihre Zuverlässigkeit viel höher ist. Nach dem Prinzip der Sensibilität industrielle Sensoren Hallen sind unterteilt in:

• unipolar (reagieren nur auf einen Magnetpol - Nord oder Süd);
• bipolar (schalten Sie sich ein, wenn Sie einem Magnetfeld mit einer Polarität ausgesetzt sind, schalten Sie sich aus, wenn Sie einem Magnetfeld mit entgegengesetzter Polarität ausgesetzt sind);
• omnipolar - reagieren auf beliebige Pole von Magneten.

Die durch die Einwirkung eines Magnetfelds auf sich bewegende Ladungen erzeugte Potentialdifferenz beträgt Einheiten, bestenfalls einige zehn Mikrovolt. Für die praktische Anwendung reicht dies nicht aus, die Potentialdifferenz muss erhöht werden. Diese Verstärker sind direkt in den Körper der Sensoren eingebaut, und je nach Verstärkertyp werden die Geräte in zwei Klassen eingeteilt.

1. Analog. Bei ihnen ist die Spannung am Ausgang des Sensors proportional zum Magnetfeld (sie hängt von der Stärke des Magneten und dem Abstand davon ab). Auf Basis eines Operationsverstärkers aufgebaut und zur Messung von Magnetfeldern eingesetzt.
2. Digital. Nach Verstärker installiert Komparator oder Schmitt-Trigger. Wenn die magnetische Induktion einen bestimmten Schwellenwert erreicht, springt die Ausgangsspannung von Null auf einen hohen Pegel (normalerweise auf den Pegel der Versorgungsspannung). Solche Sensoren werden verwendet, um Magnetrelais oder Impulsgeneratoren zu bauen. Das verstärkte Signal von der Platte wird an die Schwellenvorrichtung angelegt. Wenn das eingestellte Niveau erreicht ist, wird der Sensor ausgelöst. Der Triggerpegel kann durch Ändern des Abstands vom Sensor zur Quelle des Magnetfelds angepasst werden.

Anwendung von Hallsensoren

Die häufigste Anwendung des Hallsensors im Alltag sind berührungslose Autozündanlagen. Ihr Vorteil ist das Fehlen mechanischer Kontaktgruppen. Das bedeutet kein Verschleiß, kein Abbrennen von Kontakten, kein Risiko eines mechanischen Versagens.

Das Verteilungssystem umfasst eine Platte mit Leisten, die von der Motorkurbelwelle angetrieben werden, einen Permanentmagneten und den Hallsensor selbst. Wenn sich die Platte dreht, fallen die Vorsprünge zu einem genau definierten Zeitpunkt, der durch die Position der Kurbelwelle bestimmt wird, in den Spalt zwischen dem Sensor und dem Magneten und ändern die Parameter des Magnetfelds.Der Sensor erzeugt synchron zur Drehung der Kurbelwelle Impulse, die die Spannungsversorgung der Hochspannungsspule zu den gewünschten Zeitpunkten regeln. Auch Magnetfeldsensoren im Auto werden eingesetzt, um die Position der Kurbelwelle zu erkennen.

Eine weitere Anwendung von magnetempfindlichen Sensoren ist die Positionsbestimmung der Rotoren von Elektromotoren. Das Relaiselement ist auf dem Motorstator montiert und wird aktiviert, wenn der Pol passiert. Nach diesem Prinzip kann man einen Drehzahlmesser oder einen Geschwindigkeitsmesser bauen.

Auf dem Hall-Effekt basierende Geräte werden in Laptops oder Mobilgeräten verwendet - als Indikator für die geschlossene Position des Deckels. Wenn der Sensor ausgelöst wird, geht der Computer in den Ruhezustand oder fährt herunter. Und in Smartphones ist eine der Funktionen des Sensors, der auf das Magnetfeld der Erde reagiert, die Organisation des elektronischen Kompasses.

Analoge Hallsensoren werden in Messgeräten eingesetzt - dort, wo es notwendig ist, die Höhe des Magnetfeldes zu beurteilen. Sie sind unentbehrlich für die berührungslose Messung der Stromstärke in einem Leiter. Wie Sie wissen, entsteht, wenn Strom durch einen Leiter fließt, um ihn herum ein Magnetfeld. Seine Intensität hängt von der Stärke des Stroms ab. Bei Wechselspannung kann das Feld auch auf andere Weise gemessen werden (z. B. mit einem Stromwandler), bei Gleichspannung ist jedoch ein Hallsensor unabdingbar. Nach diesem Prinzip arbeiten Gleichstromzangen.

Die exotischste Anwendung des Hall-Effekts ist der Bau von Ionenraketentriebwerken nach seinem Prinzip.

So überprüfen Sie den Hallsensor auf Leistung

Um den Sensor zu überprüfen, können Sie eine einfache Schaltung zusammenbauen, für die Sie zusätzlich zum Sensor selbst Folgendes benötigen:

• Stromversorgung für die gewünschte Spannung;
• Widerstand mit einem Widerstand von etwa 1 kOhm;
• Leuchtdiode;
• Magnet.

Wenn keine LED vorhanden ist, können Sie stattdessen (und den Strombegrenzungswiderstand) verwenden Verwenden Sie ein Multimeter (digital oder Zeiger) im Spannungsmessmodus.

Es gibt keine besonderen Anforderungen an die Stromversorgung - die Ströme im Stromkreis sind sehr klein. Seine Spannung muss innerhalb der Versorgungsspannung des zu testenden Sensors liegen. Die LED wird mit der Anode an das Plus der Spannungsquelle angeschlossen, die Kathode an den Ausgang des Prüflings, da der Sensor meist mit offenem Kollektor ausgeführt ist (aber besser im Datenblatt nachsehen).

Das Prüfverfahren hängt von der Art des Prüflings ab.

1. Um einen unipolaren digitalen Sensor zu testen, müssen Sie einen Magneten mit einem Pol anbringen. Die LED sollte aufleuchten (der Pfeil des Zeigervoltmeters weicht ab oder die Messwerte des Digitaltesters ändern sich sprunghaft). Wenn der Magnet eine beträchtliche Entfernung entfernt wird, sollte der Schaltkreis in seine ursprüngliche Position zurückkehren. Wenn der Sensor nicht funktioniert, ist es notwendig, den Magneten mit dem anderen Pol umzudrehen und den Vorgang zu wiederholen. Wenn die LED blinkt, funktioniert der Sensor. Wenn in keiner Position des Magneten ein Erfolg erzielt wurde, ist das Gerät unbrauchbar.
2. Ein bipolarer digitaler Sensor wird mit einer ähnlichen Technik getestet, nur die LED leuchtet an einer Position des Magneten und erlischt nicht, wenn die Magnetfeldquelle entfernt wird. Auf weitere Manipulationen mit dem gleichen Pol sollte die Schaltung nicht reagieren. Wenn Sie den Magneten umdrehen und mit der entgegengesetzten Polarität an den Sensor bringen, sollte die LED erlöschen. Dies zeigt den Zustand des getesteten Geräts an.Wenn die Schaltung nicht funktioniert, ist der Sensor defekt.
3. Ein omnipolarer digitaler Hallsensor wird genauso getestet wie ein unipolarer, aber das magnetempfindliche Gerät sollte in jeder Position des Magneten funktionieren.

Analoge Sensoren werden wie digitale geprüft, jedoch sollte sich die Ausgangsspannung nicht sprunghaft, sondern stetig mit zunehmender Magnetkraft ändern (z. B. Annäherung eines Permanentmagneten oder Stromerhöhung in der Elektromagnetwicklung).

Aus praktischer Sicht ist die Frage interessant, wie der in der kontaktlosen Zündanlage eines Autos eingebaute Hallsensor überprüft werden kann. Ziehen Sie dazu den Stecker vom Sensor ab und montieren Sie die angegebene Schaltung direkt auf den Pins.

Auch hier kann man die LED durch ein Multimeter ersetzen. Wenn Sie die Kurbelwelle des Autos manuell drehen, können Sie periodisches Blinken der LED oder Änderungen der Ausgangsspannung von Null auf ungefähr die Spannung des elektrischen Systems des Autos beobachten. Eine alternative Möglichkeit zur Überprüfung in einer Werkstatt besteht darin, das Gerät vorübergehend durch einen bekanntermaßen funktionierenden Ersatzsensor zu ersetzen.

Der Hall-Sensor hat eine breite Anwendung in Haushalts- und Industriegeräten gefunden. Es ist nicht schwierig, es auf Gebrauchstauglichkeit zu überprüfen, wenn das Funktionsprinzip verstanden wird.

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