Meistern Sie den Magnetismus: Hall-Effekt-Sensoren für Ihr PCB-Design

Zachariah Peterson
|  Erstellt: October 30, 2021
Meistern Sie den Magnetismus: Hall-Effekt-Sensoren für Ihr PCB-Design
Meistern Sie den Magnetismus: Hall-Effekt-Sensoren für Ihr PCB-Design

Mit Magnetismus lassen sich einige wirklich coole Dinge anstellen – vor allem, wenn sich Elektronen durch ein Magnetfeld bewegen. Ein Gerät, das die Beeinflussung der Elektronenbewegung für die Sensorik nutzt, ist der Hall-Effekt-Sensor. Diese kleinen Sensoren werden in der Automobilindustrie, der Fertigung, der Unterhaltungselektronik und anderen Branchen eingesetzt. Im Wesentlichen können Sie mit dem Hall-Effekt ein Magnetfeld erfassen und das eröffnet interessante Möglichkeiten.

Durch die direkte Messung eines Magnetfelds können Sie zum Beispiel die Bewegungen und die Nähe von magnetisierten Objekten erkennen. Ich habe ein paar Projekte durchgeführt, bei denen wir prüfen mussten, ob ein Deckel oder eine Klappe vollständig geschlossen war. Hierfür haben wir das Gehäuse mit einem Magneten versehen und einen Hall-Effekt-Sensor genutzt; das war eine gute Lösung für unser Problem. Aber wie genau funktionieren Hall-Effekt-Sensoren und wie beeinflussen sie Ihr PCB-Design? In diesem Artikel erfahren Sie mehr über diese einzigartigen Geräte.

Hall-Effekt-Sensoren und die Lorentzkraft

Ein Hall-Effekt-Sensor macht sich, wie der Name schon sagt, den Hall-Effekt zunutze, der in einem Metall oder einem Halbleiter auftreten kann. Dieser Effekt beruht auf der grundlegenden Wechselwirkung zwischen einem Elektron und einem Magnetfeld. Jedes elektrisch geladene Objekt, das sich senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt, ist der Lorentzkraft ausgesetzt. Diese Kraft ist für die Erzeugung des elektrischen Signals verantwortlich, das in dem Gerät gemessen wird.

Die Lorentzkraft bewirkt, dass geladene Teilchen (Elektronen und Bohrungen in einem hochbeweglichen Halbleiter wie GaAs oder Elektronen in Metallen) umgeleitet werden, wenn sie ein Magnetfeld durchqueren, wobei die Richtung durch die so genannte „Rechte-Hand-Regel“ bestimmt wird. Der Hall-Effekt wendet dasselbe Prinzip auf Halbleiter an. Durch die Ansammlung von Ladung auf einer Seite des Leiters entsteht ein elektrisches Feld, das der Kraft des Magnetfelds entgegenwirkt. Die transversale Lorentzkraft drängt die Elektronen dazu, einer gekrümmten Bahn durch das Material zu folgen, so dass sich mehr Elektronen auf einer Seite des Halbleiters befinden. Die Rechte-Hand-Regel besagt, dass die Richtung der Lorentzkraft von der Richtung der Elektronen abhängt.

Wenn Sie Ausgangsanschlüsse senkrecht zum Stromfluss platzieren, entsteht ein Hall-Element. Zwischen der positiven Oberseite und der negativen Seite des Leiters besteht ein Potenzialunterschied. Durch diesen Potenzialunterschied entsteht eine messbare Spannung, die sogenannte Hall-Spannung.

Während die Richtung des angelegten Magnetfeldes die Polarität der Hall-Spannung bestimmt, bleibt die Spannung proportional zur angelegten Feldstärke. Wenn Sie das Magnetfeld entfernen, wird der Strom nicht mehr umgeleitet und die Potenzialdifferenz am Ausgang sinkt auf Null. An diesem Punkt werden die verschiedenen Einflüsse auf die Spannung interessant. Die Hall-Spannung ist abhängig von der:

  • Amplitude des Stroms, der durch den Leiter fließt
  • Stärke des Magnetfeldes
  • elementaren Elektronenladung
  • Ladungsträgerzahldichte
  • Dicke des Materials, das den umgeleiteten Strom führt
Integrierter Hall-Effekt-Sensor
Hall-Effekt-Sensoren werden in elektronische Baugruppen, wie diesen Motor, integriert.

All diese Faktoren wirken sich auf Halbleiter aus, die durch den Hall-Effekt beeinflusst werden. Wenn Sie einen stromleitenden Siliziumchip im rechten Winkel zu einem Magnetfeld platzieren, entsteht eine schwache Hall-Spannung. Die Hall-Spannung ist abhängig vom Eingangsstrom.

WBei Halbleitern erzeugt der Hall-Effekt einen digitalen Schalter, der ein effizientes Ein-Aus-Rechtecksignal erzeugt. Wird das Fenster zwischen dem Magnetfeld und dem Siliziumchip unterbrochen, entsteht ein Nullsignal. Der Anschluss zusätzlicher Schaltkreise an den Halbleiter erzeugt den gegenteiligen Effekt und ermöglicht, dass die Unterbrechung des Magnetfelds die Ausgangsspannung erhöht./p>

Hall-Effekt-Sensoren und Rauschen

Hall-Effekt-Sensoren benötigen einen rauscharmen Verstärker mit mäßiger Verstärkung, um die 30 µV Hall-Spannung zu verstärken und einen zusätzlichen Regler, um den Strom konstant zu halten. Die verstärkte Ausgangsspannung des Hall-Effekt-Sensors tritt nur in Abhängigkeit vom Magnetfeld auf. Mit all dem funktioniert ein Hall-Effekt-Schalter wie ein idealer Hall-Sensor (dank der Ausgangsspannung).

Digitale Hall-Effekt-Sensoren erfassen das Magnetfeld und schalten den Zustand um, wenn der Sensor den Schwellwert erreicht. Verringert man das Magnetfeld, bis der Magnetsensor seinen Rückschaltpunkt erreicht, kehrt der Hall-Effekt-Sensor in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Die wesentlichen Punkte bei der Entwicklung von Hall-Effekt-Sensoren sind:

  • Bestimmung der zu erfassenden physikalischen Größe
  • Festlegung des besten Ansatzes für die Erfassung der physikalischen Größe
  • Festlegung der besten Input-Schnittstelle für den Hall-Effekt-Sensor
  • Die Entscheidung für das beste Magnetsystem
  • Auswahl der Hall-Effekt-Sensoren
  • Auswahl der besten Output-Schnittstelle

In PCB-Designs lassen sich verschiedene Arten von Hall-Effekt-Sensoren integrieren. Dazu gehören lamellenbetriebene Positionssensoren, Zahnradsensoren, digitale Stromsensoren, lineare Stromsensoren, Latches, Stromsensoren mit geschlossenem Regelkreis, unipolare Schalter und mechanisch betätigte Schalter.

Pinzette mit magnetischen Sensoren
Hall-Effekt-Sensoren kommen in kleinen Gehäusen.

Hall-Effekt-Sensoren können zweifellos eine Bereicherung für Ihr PCB-Design sein. Bevor Sie Ihr PCB-Design beginnen, müssen Sie jedoch zunächst entscheiden, welche Art von PCB-Designsoftware Sie verwenden möchten und welche Software die richtigen Tools für Ihre Bedürfnisse hat. Wenn Sie auf ein benutzerfreundliches PCB-Layout-Tool zugreifen möchten, das alles enthält, was Sie für die Entwicklung hochwertiger, herstellbarer Leiterplatten benötigen, sind Sie bei CircuitMaker an der richtigen Adresse. Zusätzlich zu der benutzerfreundlichen PCB-Designsoftware haben alle CircuitMaker-Anwender Zugang zu einem persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365-Plattform. Hier können Sie Ihre Designdaten in die Cloud hochladen und speichern und Ihre Projekte ganz einfach über Ihren Webbrowser auf einer sicheren Plattform ansehen.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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