Vielseitig und robust: der Hall-Sensor
Die Füllstandmessung Ihres Autos, Klapphüllen für Smartphones und Stromzangen. Diese drei Dinge haben eines gemeinsam: Sie alle nutzen Hall-Sensoren, um ihre Funktion verlässlich auszuüben.
Hall-Sensoren sind Sensoren zur Detektion von Magnetfeldern. Doch wie funktionieren Hall-Sensoren und wie kann man sich die Vielzahl an komplett unterschiedlichen Anwendungsgebieten erklären? Um diese Fragen zu klären, müssen wir zuerst einen Blick auf den physikalischen Hall-Effekt werfen. Dieser bildet die theoretische und praktische Grundlage jedes Hall-Sensors.
Der Hall-Effekt
Lässt man Strom durch einen gewöhnlichen Leiter fließen, bewegen sich die Ladungsträger (aus welchen der Strom zusammengesetzt ist) geradlinig durch das Material. Dies bedeutet, dass Ladungsträger wie z.B. Elektronen, durch nichts von ihrer geradlinigen Bahn abgelenkt werden. Dies ist der Normalfall, den wir aus dem Alltag und Schulunterricht kennen. Dargestellt ist jener in der untenstehenden Abbildung.
Dieser geradlinige Ladungsfluss kann jedoch gestört werden, nämlich indem man mit einer Kraft auf die Ladungsträger wirkt. Doch wie will man auf jedes einzelne Elektron eine Kraft ausüben? Dazu verwendet man ein Magnetfeld. Jeder sich bewegende Ladungsträger erfährt in einem Magnetfeld eine Kraft, welche senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung und dem einwirkenden Magnetfeld ist. Dies ist der sogenannte Lorenz-Effekt.
Lässt man also einen Strom durch einen Leiter fließen und stellt diesen Leiter gleichzeitig in ein externes Magnetfeld, werden die Ladungsträger von ihrer geraden Bahn abgelenkt. Zeigt das Magnetfeld beispielsweise in die von den roten Pfeilen dargestellte Richtung (siehe Abbildung unterhalb), so werden die Ladungen nach oben abgelenkt. Dadurch sammeln sich immer mehr Ladungen am oberen Ende des Leiters und es entsteht eine elektrische Spannung. Diesen Effekt nennt man Hall-Effekt: Ein elektrischer Leiter im Magnetfeld produziert eine Spannung senkrecht zur Stromrichtung.
Der Hall-Effekt. Links: Ungestörter Stromfluss, rechts: Stromfluss im Magnetfeld
Realisierung des Hall-Sensors
Wie vorhin beschrieben, tritt der Hall-Effekt nur auf, wenn ein Strom fließen kann. Naheliegend ist daher die Verwendung von metallischen Leiterplatten als Hall-Sensoren. Noch ausgeprägter ist der Hall-Effekt jedoch bei Halbleitern. In der Praxis besteht ein Hall-Sensor deshalb aus einer dünnen Halbleiterschicht.
Seitlich an diesen Halbleiter müssen zumindest vier Elektroden angebracht werden. Zwei dieser Elektroden sind für den Stromfluss durch den Halbleiter zuständig, die anderen zwei Kontakte greifen die Hall-Spannung senkrecht zum Strom ab.
Die Hall-Spannung, die bei einem Silizium-Hall-Sensor abgegriffen werden kann, liegt in den meisten Fällen im Millivolt Bereich und ist damit relativ gering. Außerdem weisen Halbleiter eine merkliche Temperaturabhängigkeit auf, wodurch der Messwert verfälscht werden kann. Um diesen Umständen gerecht zu werden, sind Hall-Sensoren meist als komplette integrierte Schaltkreisen (engl. IC, integrated circuit) erhältlich. Diese IC beinhalten zusätzlich zum Sensor auch noch Operationsverstärker und Temperaturkompensationen.
Vielseitige Anwendungsgebiete
Magnetfelder sind etwas, das die meisten Personen nur von ihren Kühlschrankmagneten oder von Kompassen kennen. Doch wenn man genauer hinsieht, sind überall in unserem Alltagsleben Magnete versteckt, welche von Hall-Sensoren gemessen werden können.
Grade aufgrund der Unempfindlichkeit bezüglich (nichtmagnetischem) Staub, Flüssigkeiten und der sehr kleinen Bauform, sind Hall-Sensoren sehr beliebt. Vielfältige Anwendungen finden sich z.B. in der Automobilbranche:
- Das Gurtschloss Ihres Autos überprüft mittels Hall-Sensoren, ob Sie angeschnallt sind.
- Die Drehzahlmessung Ihres Autos basiert auf dem Hall-Effekt. Mit jeder Umdrehung des Rads bewegt sich auch ein daran angebrachter Magnet an einem Hall-Sensor vorbei.
- Um den Füllstand Ihres Tanks zu bestimmen, wird an der Oberfläche der Flüssigkeit ein Magnet schwimmen gelassen. Füllt sich der Tank, so nähert sich der Magnet dem am oberen Ende angebrachten Hall-Sensor an, welcher ein Signal liefert.
Auch Klapphüllen für Handys oder Tablets beinhalten oft Magnete. Schließt man die Klapphülle, so erkennt ein Hall-Sensor im Gerät den Magnet und aktiviert den Standbymodus.
Eine weitere Anwendung bieten Stromzangen. Dort wird der Hall-Effekt zur Messung des vom Stromkabel produzierten Magnetfeldes verwendet. Damit können Stromzangen realisiert werden, welche auch Gleichstrom messen können. Die Funktionsweise von Stromzangen haben wir in diesem Blogpost bereits näher beschrieben.
Darüber hinaus kommen Hall-Sensoren in vielen weiteren Gebieten zum Einsatz, so z.B. als Schalter in elektronischen Systemen. Auch für ganz klassische Anwendungen wie Kompasse oder die Messung von räumlichen Magnetfeldern ist ein Hall-Sensor optimal geeignet.
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