Hall-Generator

Labor Elektrotechnik: VET_5
Messung von Magnetfeldern mit Hall-Element
Bereits 1879 hat der Physiker Edwin Hall den Effekt entdeckt und beschrieben, dass Strombahnen in elektrischen Leitern durch ein externes Magnetfeld beeinflusst werden können.
Durch die Magnet-(Lorenz-)kraft werden die Strombahnen in der Leiterfläche zu einer Seite
gedrängt. Wegen der dort höheren Elektronendichte entsteht nun quer zum Hauptfluss des
Stroms eine kleine Spannung, die man an den Kanten des Elements als Hallspannung messen
kann. Diese Spannung hängt von der Größe des durchfließenden Stroms I und der Größe des
Magnetfelds B ab:
𝑈𝑈𝐻𝐻 = 𝑘𝑘1 ∗
{𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼}
𝑑𝑑
mit k1 als Hall-Konstante und {I x B} als Vektor-Kreuzprodukt
Bei vielen Metallen lässt sich der Effekt einer Hall-Spannung nachweisen, bei dünnen Halbleiterscheiben aus Si oder InSb ist dieser Effekt besonders groß. Dabei wird die HL-Scheibe an
vier Seiten mit Kontakten ohne Sperrschichteffekte kontaktiert.
Wenn man einen konstanten Strom (bei dem Versuch VET5 I =
25 mA) durch das Element schickt, wird die quer abgenommene Hallspannung UH proportional zum Magnetfeld B
durch das Sensorelement. Das Bauteil kann deshalb u.a. als
Hall-Sensor zur Messung von magnetischen Feldstärken B
eingesetzt werden.
Speziell die im Labor VET5 durchgeführten Messungen im 1 mm
breiten Luftspalt eines Transformators stellen besondere
Anforderungen an die Bauform des Sensors. Die Größe des Sensor-Plättchen beträgt etwa 3
mm2. Er ist in eine Kunststoff-Folie in Form einer schmalen Zunge eingeschweißt, damit sehr
dünn und kann durch Abknicken leicht beschädigt werden.
Auf Grund von Fertigungsstreuungen ergeben sich Unterschiede in der Empfindlichkeit, der
Hall-Konstanten einzelner Sensoren, und wegen geringer Unsymmetrien eine mögliche
Offsetspannung von der Größe einiger Millivolt. Die Hallspannung UH ist bei der magnetischen Feldstärke „0,0“ selbst nicht genau null.
Beim Einbau der Halbleiter und dem Aufbau der
Messplätze ist die Kalibrierung der Sensoren
aufwändig. Bei jedem einzelnen muss die Hallkonstante, d.h. der zahlenmäßige Zusammenhang
zwischen der Größe des Magnetfelds B [T] und
der dadurch bewirkten Spannung des Hallelements UH, individuell bestimmt werden. Nur mit
ihrer korrekten Verwendung lassen sich richtige
Messergebnisse ermitteln. Die jeweils zu dem
Sensor passende Hallkonstante ist an jedem
Versuchsaufbau angegeben.
Labor Elektrotechnik: VET_5
Diese Hall-Sonde befindet sich mit allen
zusätzlich erforderlichen Bauelementen
auf einem Versuchsaufbau wie nebenstehend gezeigt. Die Anschlüsse der Versorgungselektroden sind mit A (+) und B
(−) gekennzeichnet. Der im Versuch
verwendete Steuerstrom beträgt IS = 25
mA = const. (eingespeist über Kanal II
des Netzgerätes 25−xx, Bereich 0 - 5
Volt) und wird mit einem Vorwiderstand
R5 zusätzlich begrenzt. Die Anschlüsse
der Messelektroden sind mit (E) und (F)
gekennzeichnet. Beachten Sie die
angegebenen Richtungen der Zählpfeile! Die Spannung des Hallelements entsteht in Folge
des Vektorproduktes {I x B}, hat damit ein durch den Aufbau bestimmtes Vorzeichen der
Hallspannung. Vertauscht man also die Richtung des Hallstroms durch die Spule oder die
Lage der Sonde, so ändert sich unerwartet auch das Vorzeichen der Hall-Spannung.
Zur Linearisierung des Ausgangssignals wird auf Anweisung des Herstellers ein Widerstand R2
verwendet. Die Widerstände R2 und R5 sind bereits in den Versuchsaufbau eingebaut. Auf
eine besondere Elektrodensymmetrierung wurde aus Aufwandsgründen verzichtet.
A
A
R5
HallSonde
IS
U
Netzgerät 25-xx
B
R
F
U
E
Die Versorgung des Hall-Elements und die Messung der Hall-Spannung erfolgen ohne
Potentialverbindung mit dem Rest des Versuchsaufbaus. Der Hall-Messkreis muss also
komplett vom Spulen-Messkreis getrennt sein.
Nach den Vorbereitungen wird die Messung vom Labview Programm geführt. Es erwartet für
die nachfolgenden Rechnungen genau 20 Messpunkte. Im Hinblick auf das Hysterese-Verhalten des Kerns ist nur eine vorsichtige Vorwärts-Steigerung zulässig. Ist ein geringfügig
größerer Wert schon eingestellt, so sollte mit diesem weiter gemessen werden. Dieser
Messpunkt liegt dann noch auf der Kennlinie, nur nicht im richtigen Abstand.
M.Hamann