Wie funktioniert ein Hall-Stromsensor?

Ein Hall-Stromsensor basiert auf dem Hall-Effekt, einem grundlegenden physikalischen Phänomen, das von Edwin Hall entdeckt wurde. Wenn sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld befindet, das senkrecht zum elektrischen Ladungsfluss verläuft, erfahren die Ladungsträger im Inneren des Leiters eine seitliche Kraft. Diese Kraft drückt positive und negative Ladungen auf gegenüberliegende Seiten des Materials und erzeugt eine messbare Spannungsdifferenz, die Hall-Spannung genannt wird. Moderne Hall-Stromsensoren nutzen dieses Prinzip, um elektrischen Strom ohne direkten elektrischen Kontakt zum Messkreis zu erfassen.

Es gibt zwei gängige Typen: Open-Loop- und Closed-Loop-Sensoren. Bei einem Open-Loop-Design fließt der Zielstrom durch einen Magnetkern. Der Strom erzeugt ein proportionales Magnetfeld, das durch den ferromagnetischen Kern konzentriert wird und den magnetischen Fluss durch ein Hall-Element leitet, das im Luftspalt des Kerns platziert ist. Das Hall-Element gibt eine kleine Hall-Spannung aus, die direkt proportional zur Stärke des Magnetfelds und damit proportional zum gemessenen Strom ist. Ein interner Verstärker verstärkt dieses schwache Signal in ein standardmäßig verwendbares Ausgangsspannungs- oder Stromsignal für Steuerungen und Messgeräte.

Closed-Loop-Hall-Sensoren, auch Zero-Flux-Sensoren genannt, liefern eine höhere Präzision. Der Primärstrom erzeugt einen magnetischen Fluss im Kern. Der Hall-Chip erkennt diesen Fluss und sendet ein Signal an eine um den Kern gewickelte Hilfsspule. Die Spule erzeugt einen entgegengesetzten Sekundärstrom, der ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, um den ursprünglichen Fluss aufzuheben. Wenn der magnetische Fluss im Kern Null erreicht, bleibt der Sekundärstrom im Gleichgewicht. Die Größe dieses kompensierenden Sekundärstroms spiegelt genau den gemessenen Primärstrom wider. Modelle mit geschlossenem Regelkreis zeichnen sich durch geringe Drift, hervorragende Linearität und minimale Temperaturfehler aus und eignen sich daher ideal für hochpräzise Industrieanwendungen.

Der größte Vorteil von Hall-Stromsensoren ist die galvanische Trennung. Es besteht keine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Hochspannungsmesskreis und der Niederspannungssignalausgangsseite. Dadurch werden die Steuerkreise von den Stromkreisen isoliert und Spannungsspitzen und Störungen durch Störungen verhindert. Im Gegensatz zu Shunt-Widerständen verbrauchen sie nahezu keinen Strom und können sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom messen, einschließlich unregelmäßiger Impulsströme.

Es bestehen jedoch Leistungseinschränkungen. Open-Loop-Sensoren leiden unter magnetischer Hysterese und Temperaturdrift. Die Empfindlichkeit des Hall-Elements ändert sich mit der Temperatur, was ohne Kompensationsschaltungen zu Messfehlern führen kann. Auch magnetische Störungen durch in der Nähe befindliche Drähte oder Magnete können die Messwerte verfälschen. Um diese negativen Auswirkungen zu reduzieren, integrieren Hersteller Signalkonditionierung, Temperaturkompensation und Abschirmung.