Hallsensor: Gerät, Funktionsweise, Typen und Anwendungen des Wandlers

Hall-Sensor - ein Gerät zur Messung der Stärke eines Magnetfelds. Seine Arbeit basiert auf dem Hall-Effekt, dem Phänomen einer Potenzialdifferenz in einem Magnetfeld, wenn ein Gleichstromleiter darin platziert wird. Dieses Gerät hat breite Anwendung in verschiedenen Geräten und Mechanismen gefunden.

Die Geschichte der Erstellung des Geräts

Ende des 19. Jahrhunderts platzierte ein amerikanischer Wissenschaftler aus Baltimore, Edwin Herbert Hall, eine Halbleiterplatte in einem Magnetfeld und schloss einen elektrischen Strom daran an. Diese Aktion erzeugte Spannungen an den breiten Seiten der Platte.

Dieses Phänomen wird Hall-Effekt genannt und hat die öffentliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. 75 Jahre später, als die Industrie mit der Herstellung von Halbleiterfilmen begann, fand diese Entdeckung breite Anwendung auf dem Gebiet der Technologie. Heute werden Sensoren verwendet:

1. Elektronische Zündung in Autos.
2. In Computerantriebs- und Lüftermotoren.
3. Als Basis für einen elektronischen Kompass in Smartphones.
4. In berührungslosen elektrischen Geräten zur Strom- und Spannungsmessung.
5. In einigen Modellen von Ionenstrahltriebwerken.

Die ersten Sensortypen wurden Mitte des 20. Jahrhunderts hergestellt. Im Jahr 1965 entwickelten amerikanische Experten ein Halbleitergerät, das die Leistung von Geräten erheblich verbesserte. Sensoren gelten als praktisch ewig, da sie keine interagierenden und reibenden Elemente haben.

Design-Merkmale

Als effektivste Materialien zur Herstellung des Sensors gelten Halbleiter aus Gallium und Indiumarseniden. Meistens ist das Gerät ein Film, dessen Dicke 10 Mikrometer nicht überschreitet. Der Sensor hat drei Anschlüsse:

• Netzteil mit einer Eingangsspannung von 6V;
• Nullkontakt;
• der Ausgang, von dem das Signal zum Schalter geht.

Die Klemme, auf die das Netzteil passt, ist breit und nimmt die gesamte Seite des Rechtecks ​​ein. Der Ausgangsanschluss hat eine Punktelektrode. Ein gemeinsamer Punkt fungiert als Nullkontakt. Da bei fehlendem Magnetfeld ein kleines Signal an den Kontakten verbleibt, wird ein Differenzverstärker zur Korrektur der Ausgangsdaten verwendet.

Die Mikroschaltung wird durch Lithographie auf das Substrat aufgebracht, was die Genauigkeit der Ablesungen verbessert. Normalerweise wird dies in verschiedenen Geräten verwendet, um die Position der Elemente des Mechanismus zu überprüfen.

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip eines Hallsensors basiert auf einem galvanomagnetischen Phänomen, das das Ergebnis der Wechselwirkung eines Magnetfelds mit einem Halbleiter darstellt. Ein Halbleiter ist mit einem Stromkreis verbunden, der seine Eigenschaften ändert.

Sobald Querspannungen auftreten, tritt sofort der Hall-Effekt ein. In diesem Moment ist die Ladung senkrecht zum Feldvektor gerichtet. Dieses Phänomen wird durch die Einwirkung der Lorentzkraft auf Elektronen oder Löcher erklärt, die zu deren Ablenkung führt.

Unter dem Einfluss dieser Kraft bewegen sich Teilchen in einem Halbleiter entsprechend ihrem Vorzeichen in unterschiedliche Richtungen. Auf einer Seite der Platte werden Elektronen (negative Ladung) gesammelt, auf der anderen Teilchen mit positivem Vorzeichen.

Da sich die Ladungen zwischen ihnen ansammeln, entsteht ein elektrischer Fluss, der sie daran hindert, sich unter dem Einfluss der Lorentzkraft zu bewegen. Bei Erreichen der Gleichheit dieser Kraft und des Magnetfeldes tritt der Halbleiter in die Gleichgewichtsphase ein. So funktioniert ein Hallsensor.

Gerätetypen

Die Hauptaufgabe dieses Gerätes besteht darin, die Stärke des magnetischen Flusses zu bestimmen. In der Praxis handelt es sich um einen Sensor zur Ermittlung der Werte des Magnetfeldes. Es gibt zwei Arten von Sensoren:

• Digital;
• analog.

Digitale Instrumente sind bipolar und unipolar. Bipolare Elemente arbeiten abhängig von der Polarität des Magnetfelds, dh eines schaltet den Sensor ein und das andere aus.

Unipolare Geräte schalten sich ein, wenn eine Polarität auftritt, und schalten sich aus, wenn sie abnimmt. Digitale Sensoren messen die Induktion und das Auftreten einer entsprechenden Spannung, also das Vorhandensein oder Fehlen eines Magnetfeldes.

Das Instrument zeigt eine an, wenn die Feldinduktion einen Schwellenwert erreicht. Bis zu diesem Zeitpunkt zeigt der Sensor Null an. Ein solcher Sensor kann das Vorhandensein eines Magnetfelds mit schwacher Induktion nicht erkennen. Außerdem beeinflusst die Entfernung zum gemessenen Objekt die Genauigkeit der Messwerte.

Sensoranwendung

Hallwandler sind in modernen Haushaltsgeräten weit verbreitet. Mit ihrer Hilfe wird die Wäsche in Waschmaschinen gewogen. Wenn das Gerät gestartet wird, wird zuerst nass und dann beginnt sich die Trommel zu drehen. Anhand der Drehzahl wird das Gesamtgewicht ermittelt und die Maschine auf den Verbrauch von Pulver, Wasser und Klarspüler programmiert.

In der Serienproduktion wurden Sensoren zunächst in Computertastaturen eingesetzt. Hier findet das Zusammenspiel des Sensorelements auf der Platine und des Magneten auf den Tasten statt. Für Elastizität sorgt ein Polymermaterial mit langer Lebensdauer.

Das einzige, was in der Tastatur kaputt gehen kann, ist der Controller. Hallsensoren werden sehr häufig von Elektrikern verwendet.beim Messen der Stromstärke in den Drähten mit einer berührungslosen Klemme. Das Messgerät reagiert auf Veränderungen des elektromagnetischen Feldes um Kabel und Leitungen herum.

Durch die Induktivität des Kupferdrahtes in der Klemme wird eine Erregung erzeugt und eine elektromagnetische Welle erzeugt. Ein Teil seines Wertes wird vom Sensor geschätzt, der Daten an den Controller übermittelt. Nach den darin eingebetteten Formeln wird die Berechnung durchgeführt und das Ergebnis angezeigt.

In Mobiltelefonen werden Sensoren verwendet, um den Ladezustand des Akkus und dessen Verbrauch zu überwachen. Ein solcher Moment wird jedoch beim Betrieb von Elektrofahrzeugen als sehr wichtig angesehen, da das Vorhandensein von Energie in ihnen einen besonderen Platz einnimmt. Hallwandler werden in elektronischen Kompassen und als Bildstabilisator in mobilen Kameras verwendet.

Aber vor allem in der Automobilindustrie sind diese Geräte weit verbreitet. In Autos werden sie verwendet, um die Motordrehzahl, die Drosselklappenstellung, die Fahrzeuggeschwindigkeit usw. zu bestimmen. Im elektronischen Zündsystem wird ein Sensor verwendet. Es befindet sich im Verteiler und ersetzt die Kontakte, um einen Funken zu bilden.

Sensoren in Smartphones verwenden

Aufgrund ihrer geringen Größe werden Hall-Sensoren häufig in modernen elektronischen Geräten verwendet. Bei Smartphones helfen sie dabei, den Bildschirm wieder in die ursprüngliche Position zu bringen, ermöglichen einen schnellen Start der GPS-Suche, verlängern die Akkulaufzeit und so weiter.

Die Fähigkeit, auf Magnetfelder zu reagieren, wird bei Klapptelefonen und Laptops genutzt. Durch das Vorhandensein eines Sensors werden Geräte beim Öffnen eingeschaltet und beim Schließen des Bildschirms ausgeschaltet. Bei Smartphones übernimmt die gleiche Funktion ein Sensor, der mit einem in die Buchhülle eingebauten Magneten interagiert. Beim Öffnen der Abdeckung wird die Feldwirkung abgeschwächt und der Sensor schaltet die Hintergrundbeleuchtung des Bildschirms ein. Der Hall-Transformator in Gadgets führt die folgenden nützlichen Funktionen aus:

• gibt Orientierung in Bezug auf den Horizont der Erde;
• funktioniert als Kompass eines mobilen Geräts;
• führt die Bildschirmausrichtung durch.

Der Sensor ist im Gerät der Videokamera von nicht geringer Bedeutung. Zusammen mit einer speziellen Mikroschaltung können Sie die Bildqualität anpassen. Dies gilt insbesondere, wenn am Abend gefilmt wird.