Der Hall-Effekt wurde 1879 von Edwin Hall entdeckt, aber es dauerte viele Jahre, bis die technologische Entwicklung es ermöglichte, dass integrierte Schaltungen dieses Phänomen voll ausnutzen konnten. Heute bieten Hall-Effekt-Sensor-ICs eine bequeme Möglichkeit, genaue Strommessungen zu erzielen, die eine elektrische Isolierung zwischen dem gemessenen Strompfad und der Messschaltung aufrechterhalten.
Empfohlenes Niveau
Anfänger
Von Lorentz zu Hall
Der Hall-Effekt ist eine Erweiterung der Lorentz-Kraft, die die Kraft beschreibt, die auf ein geladenes Teilchen – wie ein Elektron – ausgeübt wird, das sich durch ein Magnetfeld bewegt. Wenn das Magnetfeld senkrecht zur Bewegungsrichtung des Elektrons ausgerichtet ist, erfährt das Elektron eine Kraft, die sowohl zur Bewegungsrichtung als auch zur Ausrichtung des Magnetfelds senkrecht steht.
Der Hall-Effekt bezeichnet die Situation, in der die Lorentz-Kraft auf die sich durch einen Leiter bewegenden Elektronen einwirkt, so dass zwischen den beiden Seiten des Leiters eine Differenz des elektrischen Potentials – also eine Spannung – entsteht.
Beachten Sie, dass die Pfeile in diesem zweiten Diagramm die Richtung des konventionellen Stromflusses anzeigen, was bedeutet, dass sich die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Die Richtung der Lorentz-Kraft wird durch eine Rechte-Hand-Regel bestimmt, die die Richtung berücksichtigt, in der sich das Elektron relativ zum Magnetfeld bewegt. Im ersten Diagramm bewegt sich das Elektron nach rechts, und die Lorentzkraft ist nach oben gerichtet. Im zweiten Diagramm, in dem die Elektronen nach links fließen, ist die Lorentz-Kraft nach unten gerichtet, und somit sammelt sich negative Ladung in Richtung des unteren Randes des Leiters. Dadurch entsteht eine Potentialdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Rand des Leiters, wobei der obere Rand positiver ist als der untere Rand. Diese Potentialdifferenz wird als Hall-Spannung bezeichnet:
$V_{Hall}=-\frac{IB}{eρt}$
Diese Gleichung, die für eine stromdurchflossene Platte gilt, besagt, dass die Hall-Spannung mit der Amplitude des durch den Leiter fließenden Stroms (I), der magnetischen Feldstärke (B), der elementaren Elektronenladung (e), der Anzahl der Elektronen pro Volumeneinheit (ρ) und der Dicke der Platte (t) zusammenhängt.
Ausnutzung des Hall-Effekts
Die durch den Hall-Effekt erzeugten Spannungen sind klein im Vergleich zu Rauschen, Offsets und Temperatureffekten, die typischerweise eine Schaltung beeinflussen. Daher waren praktische Sensoren, die auf dem Hall-Effekt basieren, nicht weit verbreitet, bis Fortschritte in der Halbleitertechnologie hochintegrierte Komponenten ermöglichten, die ein Hall-Element und zusätzliche Schaltungen enthalten, die zur Verstärkung und Aufbereitung der Hall-Spannung benötigt werden. Dennoch sind Hall-Effekt-Sensoren in ihrer Fähigkeit, kleine Ströme zu messen, begrenzt. Zum Beispiel hat der ACS712 von Allegro MicroSystems eine Empfindlichkeit von 185 mV/A. Das bedeutet, dass ein Strom von 10 mA eine Ausgangsspannung von nur 1,85 mV erzeugen würde. Diese Spannung mag akzeptabel sein, wenn die Schaltung ein niedriges Grundrauschen hat, aber wenn ein 2 Ω-Widerstand in den Strompfad eingefügt werden könnte, wären die resultierenden 20 mV Ausgangsspannung eine große Verbesserung.
Der Hall-Effekt ist für eine Vielzahl von Sensoranwendungen relevant; Geräte, die auf dieser relativ einfachen Beziehung zwischen Strom, Magnetfeld und Spannung basieren, können zur Messung von Position, Geschwindigkeit und Magnetfeldstärke verwendet werden. In diesem Artikel konzentrieren wir uns jedoch auf Geräte, die den Strom über die Hall-Spannung messen, die erzeugt wird, wenn ein durch den gemessenen Strom induziertes Magnetfeld auf ein integriertes Hall-Effekt-Element konzentriert wird.
Vor- und Nachteile
Die Leistungsmerkmale variieren von einem Hall-Effekt-Stromsensor zum anderen, so dass es schwierig ist, die Vor- und Nachteile der Hall-Effekt-Messung im Vergleich zu der anderen gängigen Stromsensor-Technik genau zusammenzufassen, nämlich dem Einfügen eines Präzisionswiderstands in den Strompfad und dem Messen des resultierenden Spannungsabfalls mit einem Differenzverstärker. Im Allgemeinen werden Hall-Effekt-Sensoren jedoch dafür geschätzt, dass sie „nicht eingreifend“ sind und dass sie eine elektrische Isolierung zwischen dem Strompfad und dem Messkreis bieten. Diese Geräte werden als nicht-intrusiv angesehen, weil kein signifikanter Widerstand in den Strompfad eingefügt wird und sich die gemessene Schaltung daher fast so verhält, als ob der Sensor nicht vorhanden wäre. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der Sensor nur eine minimale Leistung abgibt; dies ist besonders wichtig, wenn große Ströme gemessen werden.
Bezüglich der Genauigkeit können derzeit verfügbare Hall-Effekt-Sensoren einen Ausgangsfehler von nur 1 % erreichen. Eine gut konzipierte resistive Stromsensorschaltung könnte diesen Wert übertreffen, aber 1 % ist im Allgemeinen ausreichend für Anwendungen mit hohen Strömen und hohen Spannungen, für die Hall-Effekt-Bauelemente besonders geeignet sind.
Nachteilig bei Hall-Effekt-Sensoren sind der begrenzte Frequenzbereich und die höheren Kosten. Der ACS712 bietet eine interne Bandbreite von 80 kHz, und der Melexis MLX91208, der als „Breitband“-Baustein vermarktet wird, ist bis zu 250 kHz spezifiziert. Eine resistive Stromabtastschaltung mit einem Hochgeschwindigkeitsverstärker könnte dagegen bis in den Megahertz-Bereich arbeiten. Außerdem ist der Hall-Effekt, wie oben beschrieben, von Natur aus bei der Messung kleiner Ströme begrenzt.
Isolation
Einer der wichtigsten Vorteile von Hall-Effekt-Sensoren ist die elektrische Isolation, die im Zusammenhang mit dem Schaltungs- oder Systemdesign oft als galvanische Isolation bezeichnet wird. Das Prinzip der galvanischen Isolierung kommt immer dann zum Tragen, wenn ein Design erfordert, dass zwei Schaltkreise auf eine Art und Weise kommunizieren, die einen direkten Stromfluss verhindert. Ein einfaches Beispiel ist, wenn ein digitales Signal durch einen Opto-Isolator geleitet wird, der die Spannungsimpulse in Lichtimpulse umwandelt und somit die Daten nicht elektrisch, sondern optisch überträgt. Einer der Hauptgründe für die Implementierung einer galvanischen Trennung ist die Vermeidung von Problemen im Zusammenhang mit Masseschleifen:
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Grundlegende Prinzipien der Schaltungsentwicklung gehen davon aus, dass miteinander verbundene Komponenten einen gemeinsamen Masseknoten haben, von dem angenommen wird, dass er auf 0 V liegt. Im wirklichen Leben besteht der „Masseknoten“ jedoch aus Leitern mit einem Widerstand ungleich Null, und diese Leiter dienen als Rückweg für den Strom, der von der Schaltung zurück zur Stromversorgung fließt. Das Ohm’sche Gesetz erinnert uns daran, dass Strom und Widerstand eine Spannung ergeben, und diese Spannungsabfälle im Rückweg bedeuten, dass „Masse“ in einem Teil des Schaltkreises oder Systems nicht auf dem gleichen Potential liegt wie „Masse“ in einem anderen Teil. Diese Unterschiede im Massepotenzial können zu Problemen führen, die von vernachlässigbar bis katastrophal reichen.
Durch die Verhinderung eines direkten Stromflusses zwischen zwei Schaltkreisen ermöglicht die galvanische Trennung die erfolgreiche Kommunikation von Schaltkreisen mit unterschiedlichen Massepotenzialen. Dies ist besonders relevant für Strommessanwendungen: Ein Niederspannungssensor und eine Verarbeitungsschaltung müssen möglicherweise große, stark veränderliche Ströme überwachen, z. B. in einem Motorantriebskreis. Diese großen, sich schnell ändernden Ströme führen zu erheblichen Spannungsschwankungen im Rückweg. Ein Hall-Effekt-Sensor ermöglicht es dem System, sowohl den Antriebsstrom zu überwachen als auch die hochpräzise Sensorschaltung vor diesen schädlichen Masseschwankungen zu schützen.
Common-Mode-Spannung
Eine weitere wichtige Anwendung für Hall-Effekt-Sensoren sind Strommessungen mit hohen Spannungen. In einer resistiven Strommessschaltung misst ein Differenzverstärker die Spannungsdifferenz zwischen einer Seite eines Widerstands und der anderen. Ein Problem entsteht jedoch, wenn diese Spannungen relativ zum Massepotential groß sind:
Reale Verstärker haben einen begrenzten „Gleichtaktbereich“, was bedeutet, dass das Gerät nicht richtig funktioniert, wenn die Eingangsspannungen, obwohl sie relativ zueinander klein sind, relativ zur Masse zu groß sind. Gleichtaktbereiche von Strommessverstärkern reichen typischerweise nicht über 80 oder 100 V hinaus. Hall-Effekt-Sensoren hingegen können Strom in Spannung umwandeln, ohne sich auf das Massepotenzial des gemessenen Schaltkreises zu beziehen. Solange die Spannungen nicht groß genug sind, um physikalische Schäden zu verursachen, hat die Gleichtaktspannung daher keinen Einfluss auf den Betrieb eines Hall-Effekt-Geräts.