Was ist der Unterschied zwischen der Hall-Effekt-Stromerfassung und der Positionserfassung?

Die Verwendung des Hall-Effekts für die Strommessung ist von Natur aus robust, kann jedoch bei der Positionserfassung noch vielseitiger eingesetzt werden.

Die Wahrnehmung in all ihren Formen ist für so viele Anwendungen von grundlegender Bedeutung. Dabei handelt es sich ausnahmslos um ein Material, das als Wandler fungiert, um eine Eigenschaft in eine andere umzuwandeln. In der Elektronik hat das Sensorelement physikalische Eigenschaften, die sich infolge der Sensorwirkung ändern, wie z. B. sein Widerstand oder seine Reaktanz, die die Messung einer Änderung des Stroms oder der Spannung ermöglichen.

Hall-Effekt

1879 entdeckte Edwin Hall, dass beim Einleiten eines Leiters oder Halbleiters mit in eine Richtung fließendem Strom senkrecht zu einem Magnetfeld eine Spannung im rechten Winkel zum Strompfad gemessen werden konnte. Es ist allgemein bekannt, dass der Hall-Effekt aus der Wechselwirkung geladener Teilchen wie Elektronen in Reaktion auf elektrische und magnetische Felder resultiert.

Der Hall-Effekt bei Sensoren zeigt sich entweder als messbare Spannungsdifferenz an einem Leiter, durch den ein konstanter Strom fließen muss, oder als messbare Stromdifferenz an einem Leiter, durch den eine konstante Spannung fließen muss (Abb. 1). . Die Spannungsdifferenz ist proportional zur Stärke eines Magnetfeldes. Dies bedeutet, dass der Hall-Effekt auf zwei sehr spezifische Arten verwendet werden kann, obwohl der zugrunde liegende Effekt in beiden Fällen derselbe ist.

1. In Bezug auf Sensoren ist der Hall-Effekt entweder eine messbare Spannungsdifferenz über einem Leiter, durch den ein konstanter Strom vorhanden sein muss, oder eine messbare Stromdifferenz über einem Leiter, durch den eine konstante Spannung fließen muss.

Der Signalpegel aufgrund der Feldschwankung im Verhältnis zum Hintergrundrauschen ist gering (Bereich von µV). Daher sind ziemlich ausgefeilte Signalwege erforderlich, um davon Gebrauch zu machen.

Ohne die Entdeckung von Edwin Hall in irgendeiner Weise entwerten zu wollen, ist der Effekt tatsächlich eine Erweiterung des Einsatzes der Lorentz-Kraft, die das Wechselspiel zwischen elektrischen und magnetischen Kräften auf eine Punktladung aufgrund einer Variation des elektromagnetischen Feldes beschreibt.

In einfachen Worten beschreibt die Lorentz-Kraft im Fall des Hall-Effekts die Wirkung eines Magnetfelds auf ein geladenes Teilchen, insbesondere die Richtung, in die es gezwungen wird, wenn es durch einen Leiter läuft, der einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Die physikalische Bewegung führt zu einer mehr oder weniger starken Aufladung der Leiteroberfläche, was zu der als Hall-Spannung bekannten Potentialdifferenz führt.

Hall-Effekt-Stromerfassung

Die Tatsache, dass der Hall-Effekt von einem Magnetfeld abhängt, bedeutet, dass er als kontaktlose Technologie verwendet werden kann. Daher ist es nicht störend, im Gegensatz zu der gängigsten Methode der Stromerfassung, bei der ein Widerstand mit niedrigem Wert als Nebenschluss verwendet und der Spannungsabfall über diesem Widerstand gemessen wird. Die Verwendung des Hall-Effekts für die Strommessung ist in Hochleistungsanwendungen von Natur aus robust, da das Erdpotential nicht als Referenz herangezogen wird.

Bei einem herkömmlichen Hall-Effekt-Stromsensor bedeutet dies, den Sensor senkrecht zum Magnetfeld zu platzieren und einen Konzentrator zu verwenden, normalerweise einen ferromagnetischen Kern in Form eines Rings oder Quadrats, der um den Leiter gelegt wird, der den zu messenden Strom führt (Abb. 2) . Der Sensor wird typischerweise in einem kleinen Luftspalt gehalten, der zwischen den beiden Enden des ferromagnetischen Kerns ausgebildet ist.

2. Hier ist ein Vergleich, wie herkömmliche Hall-Effekt- und Hall-IMC-Stromsensoren positioniert sind.

Bei einem IMC-Hall-Stromsensor ist das Sensorelement parallel zum Stromfluss positioniert (wieder Abb. 2) . In diesem Fall wird kein ferromagnetischer Kern benötigt; Möglicherweise ist jedoch eine Abschirmung für die Störfestigkeit gegen Übersprechen erforderlich. Dies bedeutet, dass der in einer Sammelschiene oder Leiterplatte fließende Strom gemessen werden kann, indem der Sensor über der Schiene oder der Schiene positioniert wird. Dieser Sensortyp wird durch die IMC-Hall-Technologie unter Verwendung des von Melexis entwickelten Integrated Magnetic Concentrator (IMC) ermöglicht (siehe unten) .

Grundsätzlich ist es das Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, der dank des Hall-Effekts erfasst wird, und nicht der Strom selbst.

Hall-Effekt-Positionserfassung

Das gleiche Prinzip kann verwendet werden, um das Vorhandensein, Fehlen oder die Nähe eines Magnetfelds zu erfassen. Tatsächlich kann die Hall-Spannung, die sich aus der Bewegung eines Magneten über den Sensoren ergibt, erfasst, verstärkt und verarbeitet werden. Dies bietet die Möglichkeit, den Hall-Effekt zu nutzen, um die Position oder sogar die Ausrichtung von Objekten in Bezug auf den Sensor zu erfassen.

In einer einfachen Anwendung kann dies relativ grob sein, beispielsweise wenn ein Laptop geöffnet oder geschlossen ist. Oder es ist ausgefeilter, wenn es zum Erfassen von linearen Bewegungen oder Rotationen verwendet wird, z. B. zur Positionsänderung eines beweglichen Objekts (Abb. 3) . In dieser Hinsicht ist die Verwendung des Hall-Effekts zur Positionserfassung viel vielseitiger als die Verwendung als Stromsensor.

Der integrierte Magnetkonzentrator (IMC)

Einer der Nachteile der meisten Hall-Effekt-Sensoren, der mit der Wirkungsweise des Effekts zusammenhängt, besteht darin, dass die zur Erfassung des Feldes verwendete Hall-Platte auf nur eine Achse beschränkt ist.

Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, hat Melexis den Integrated Magnetic Concentrator (IMC) entwickelt, der den Hall-Effekt wesentlich flexibler macht. Mit dem IMC können die Hall-Effekt-Sensoren, während sie in einer Ebene bleiben, Magnetfelder von der X-, Y- und Z-Achse erfassen (Abb. 4) . Folglich sind die Anwendungsvorteile vielfältig, einschließlich der Flexibilität der Sensorausrichtung.

4. Mit dem integrierten Magnetkonzentrator können Hallsensoren in einer Ebene Magnetfelder von der X-, Y- und Z-Achse erfassen.

Hall-Effekt-Sensorik in Automotive-Anwendungen

Mit der IMC-Technologie können viele Anwendungen in der Automobilindustrie den Hall-Effekt nutzen. Durch die dreidimensionale Bedienung kann der Hall-Effekt-Sensor die Position der Pedale, die Drehung der Lenksäule und den Status des Bremshebels sowie die Position der elektrisch betätigten Sitze erfassen.

Sie kann auch unter der Motorhaube zur Überwachung beweglicher Teile von Pumpen und Motoren sowie zur Messung des Stromverbrauchs von elektrifizierten Teilen des Antriebsstrangs wie dem Wechselrichter, dem Batterieüberwachungssystem (BMS) oder dem Einschaltstrom verwendet werden. Bordladegerät (OBC).

Fazit

Grundsätzlich kann das Hall-Effekt-Phänomen auf eine Reihe nützlicher Arten genutzt werden, einschließlich Strommessung und Positionsmessung. Trotz großer Herausforderungen wie dem geringen Signal-Rausch-Verhältnis oder dem Einfluss des Streufelds gelang es der Elektronikindustrie, robuste und genaue Sensorlösungen auf der Grundlage des Hall-Effekts zu entwickeln.

Insbesondere die Hinzufügung eines starken analogen Frontends und eines digitalen Signalpfads zusammen mit proprietären Technologien wie der IMC-Hall von Melexis bedeutet, dass der Hall-Effekt auf die Strommessung und Positionserfassung angewendet werden kann - auch in rauen Umgebungen wie der Automobilindustrie Industrie.

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