Quelltext der Seite Halleffektsensor Unipolar (TLE4905L)

[[Datei:Infineon TLE4905L.jpg|512px|thumb|rechts|Infinion TLE4905L <ref> https://cdn-reichelt.de/bilder/web/artikel_ws/B400/PICTURE_2SS52M.jpg </ref>]]
'''Autor:''' [[Benutzer:Mario Wollschlaeger|Mario Wollschläger]] <br/>
'''Betreuer:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider|Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schneider]]<br/>
== Einleitung ==
Dieser Artikel ist im Rahmen der Vorlesung [[ST WS2020|Sensortechnik]] des Studienschwerpunktes SDE im Studiengang Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt entstanden. Gegenstand des Artikels ist der unipolare Halleffektsensor TLE4905L der Firma Infineon aus Warstein.

== Technische Daten==
===Pinbelegung===
Der TLE4905 hat drei Anschlüsse, bei der Draufsicht (vergleiche Bild oben) ergibt sich folgende Pinbelegung (Datenblatt S.2<ref name = 'Datenblatt'> Infineon: ''Uni- and Bipolar Hall IC Switches for Magnetic Field Applications''. 2007. Online im Internet: https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B400/TLE49X5L.pdf Abruf: 13.12.2020</ref>):
{| class="mw-datatable"
! style="font-weight: bold;" | Pin
! style="font-weight: bold;" | Belegung
|-
| 1
| Versorgungsspannung
|-
| 2
| Masse
|-
|3
|Ausgang
|}

===Gehäuseform===
Der Sensor wird mittels eins PG-SSO-3-2 gehäust. Dabei handelt es sich um ein THT-Gehäuse, welches wie zuvor beschrieben, drei Anschlüsse besitzt. Das Gehäuse ist 4,16 mm breit, 3,29 mm hoch und 1,52 mm dick und besteht aus einem Kunststoff. Die Anschlüsse haben den für THT-Typischen Abstand von 1,27 mm (1/20 Zoll).<ref name = 'Datenblatt'/>

== Auswahl eines Primärsensors ==
<!-- Wie funktioniert der Sensor?
Welche Rohsignale liefert der Sensor? -->
Der Primärsensor des TLE4905 ist ein Hallelement auf Halbleiterbasis. Mittels dieses Elements kann die Stärke eines Magnetfeldes bestimmt werden. Durch die im Sensor durchgeführte Signalverarbeitung kann mit dem Gesamten Sensor bestimmt werden, ob sich dieser in einem Magnetfeld befindet, oder nicht. Fall sich der Sensor in einem Magnetfeld mit ausreichender Stärke befindet, kann ein Strom in den Pin 3 (Ausgang) fließen. Ist kein Magnetfeld vorhanden oder ist dieses zu schwach, so kann kein Strom fließen.

===Der Halleffekt===
Der Halleffekt wurde 1879 von [https://de.wikipedia.org/wiki/Edwin_Hall Edwin Herbert Hall] entdeckt, und beschreibt die Spannung in einem Stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld.<ref name = Thuselt>Thuselt, F: ''Physik der Halbleiterbauelemente - Einführendes Lehrbuch für Ingenieure und Physiker''. Berlin: Springer, 3. Auflage 2018. ISBN 978-3-662-57637-3. S.79ff</ref> Diese Spannung tritt im rechten Winkel zum magnetischen Feld und zum Strom, welcher durch den Leiter fließt. Die Grundlage des Effektes ist die Lorenzkraft welche die sich im Leiter und im Magnetfeld bewegenden Ladungsträger ablenkt. Durch diese Ablenkung entsteht auf der einen Seite des Leiters eine höhere Konzentration an Ladungsträgern als auf der gegenüberliegenden. Daraus entsteht eine Spannung zwischen den beiden Seiten des Leiters, die sogenannte Hallspannung.

===Herleitung der Hallspannung===
Die durch den Halleffekt hervorgerufene Hallspannung basiert auf dem Kräftegleichgewicht aus der Lorenzkraft und des durch die Ablenkung der Ladungsträger hervorgehobenen Elektrischen Felds.<ref name = Sauer>Sauer, R: ''Halbleiterphysik Lehrbuch für Physiker und Ingenieure''. München: Oldenbourg Verlag, 2008. ISBN 978-3-486-58863-7. S.23ff</ref> Hierbei erhöht sich die durch die Lorenzkraft  resultierende Ladungsverschiebung so lange, bis die Kraft des Elektrischen Feldes einer weiteren Ladungsverschiebung entgegenwirkt, da sich die beiden Kräfte gegenseitig aufheben.

Im folgenden wir der Strom durch den Leiter mit <math display="inline"> \vec{I} </math>, das Magnetfeld mit <math display="inline"> \vec{B} </math>, das Elektrische Feld mit <math display="inline"> \vec{E} </math>,  die Lorenzkraft druch <math display="inline"> \vec{F_L} </math> und die Kraft durch das Elektrische Feld mit <math> \vec{F_E} </math> bezeichnet. Die Elementarladung wird mit <math display="inline"> e </math> bezeichnet. Daraus ergeben sich die Folgenden Formeln:


<math> \vec{F_L} = e \cdot \vec{I} \times \vec{B} </math>

<math> \vec{F_E} = e \cdot \vec{E} </math>

:<math>\begin{align} & \vec{F_L} &= \vec{F_E} \\ 
\Leftrightarrow & e \cdot \vec{I} \times \vec{B} &= e \cdot \vec{E} \\
\Leftrightarrow & \vec{I} \times \vec{B} &= \vec{E}\end{align}</math>

== Signalvorverarbeitung ==
<!-- Sollen Messwerte oder vorverarbeitete Daten übertragen werden?
Wie lässt sich eine Vorverarbeitung umsetzen?
Wird eine Kennlinie eingesetzt? Wenn ja, wie wird diese kalibriert? -->

[[Datei:TLE4905 Singalverarbeitungskette.PNG|512px|thumb|rechts|Signalverarbeitungskette des Infinion TLE4905L <ref name = 'Datenblatt' />]]
Wie im Bild rechts zu sehen, wird die Spannung des Hallelementes nicht direkt auf den Ausgang des Sensors geschaltet. Dies hängt vor allem damit zusammen, dass die erzeugte Hallspannung sehr gering ist, wodurch sie für die meisten Microkontroller und andere Schaltungen nicht zu verwenden ist. Daher wird die Spannung des Elements zunächst mittels einer Verstärkerschaltung auf ein einfacher zu verarbeitendes Level gebracht. Im Anschluss wird die resultierende Spannung mit einem Schmitt-Trigger ausgewertet. Es gibt also zwei diskrete Ausgangswerte, wodurch eine Kennlinie und die zugehörige Kalibrierung nicht eingesetzt wird.

Um größerer Leistungen schalten zu können folgt nach der Auswertung durch den Schmitt-Trigger noch eine Ausgangsstufe. Diese besteht aus einem Bipolartransistor. Hierdurch kann der Strom deutlich verstärkt werden und die Signalverarbeitung durch einen Microcontroller vereinfacht werden. Als Ausgangsgröße ist damit der Strom zu betrachten der in den Pin 3 (Ausgang) fließt.

Damit ist das direkte Anschließen des Sensor an einen Microcontroller nicht möglich. Wird Pin 3 an direkt an den digitalen Eingang des Microcontrollers angeschlossen, so wird dieser bei ausreichendem magnetischem Feld am Sensor zwar auf das Potential der Masse gezogen, herrscht jedoch kein ausreichendes Magnetfeld, so entsteht am Eingang des Microkotrollers ein unbestimmtes Potential. Damit ist eine zusätzliche Verschaltung des Sensors notwendig. Die einfachste Möglichkeit, welche auch vom Hersteller empfohlen wird besteht darin, das Potential am Ausgang den Sensors über einen Wiederstand auf die Versorgungsspannung anzuheben. So kann bei nicht ausreichendem magnetischem Feld eine HIGH-Potential durch den Microkontroller gelesen werden und bei anliegendem magnetischem Feld ein LOW-Potential.

Der eingelesen logische Wert ist dadurch also invertiert zu Existenz eines ausreichenden magnetischen Feldes: Ohne Magnetfeld wird eine "1" gelesen, mit ausreichendem Magnetfeld eine "0".

== Analog-Digital-Umsetzer ==
<!-- Wie werden die analogen Signale umgesetzt?
Welcher ADU kommt zum Einsatz?-->
Die Analog-Digitalwandlung geschieht beim TLE4905 mittels eines Schmitt-Triggers. Ein Schmitt-Trigger ist ein Schwellwertschalter und besitzt eine Schalthysterese. Die Umsetzung erfolgt über die Verschaltung eines Operationsverstärkers mit Widerständen. Dabei wird der Ausgang des Operationsverstärkers auf den nicht invertierten Eingang gelegt, sodass eine Mitkopplung entsteht.<ref> Baumann, P: ''Prüfungsfragen zur Elektronik - Bachelor Ausbildung''. Wiesbaden: Springer, 2. Auflage 2019. ISBN 978-3-658-26570-0. S.183ff</ref>

<!-- Welche Gründe sprechen für diesen ADU? Alternativen? -->
Im vorliegenden Sensor stellt die Verwendung eines Schmitt-Triggers eine einfache Möglichkeit zur Digitalisierung des analogen Wertes da. Die Verwendung ist hier möglich, da nicht die Intensität des Magnetfeldes gemessen werden soll, sondern ob ein Magnetfeld vorhanden ist. Dieser qualitative Nachweis eines Magnetfeldes benötigt im Vergleich zu einer quantitativen Messung nur ein Bit und kann so durch einen Schmitt-Trigger umgesetzt werden.

Weiterhin bietet der Schmitt-Trigger einen großen Vorteil gegenüber einer Auswertung des Wahrheitswertes über eine Logische Schaltung, welche lediglich auf Basis eine Schwellenwertes die Analog-Digitalwandlung. Durch den Schmitt-Trigger kann eine Hysterese eingefügt werden. Das löschen des Logischen Wertes geschieht erst bei geringeren Spannungen als das setzten. Hierdurch kann ein schwanken des Ausgabewertes verhindert werden, wenn die Stärke des Magnetfeldes nah am Schwellwert liegt.

== Bussystem ==
<!-- Wird ein Bussystem zwischen Sensor und Mikrocontroller eingesetzt?
Wenn ja, wie funktioniert dieses Bussystem? -->
Zur Übertragung der Daten an einen Microcontroller wird kein Bussystem eingesetzt. Der Ausgewertete Wert des Sensors hat einen Informationsgehalt von 1Bit und gibt an, ob das am Elementarsensorvorliegende Magnetfeld eine gewissen Schwellwert überschritten hat oder nach erfolgter Überschreitung ein niedrigerer Schwellwert unterschritten wurde. Vereinfacht gesagt sagt der Rückgabewert des Sensors also aus, ob ein Magnetfeld vorhanden ist. Diese Information kann über den Pegel am Ausgabepin übertragen werden, wenn eine entsprechende Schaltung mit einem Wiederstand gewählt wird. Der jeweilige Wert kann beispielsweise über einen digitalen Eingang eines Microcontrollers eingelesen werden.

== Digitale Signalverarbeitung ==
Welche Verarbeitungsschritte sind notwendig?
Welche Filter werden angewendet?
Bestimmen Sie Auflösung, Empfindlichkeit und Messunsicherheit des Sensors. 
== Bewertung der Sensordaten ==
Welche Fehler treten in welchem Verarbeitungsschritt auf?
Stellen Sie die Messunsicherheit bzw. das Vertrauensintervall dar.
== Inbetriebnahme ==
=== YouTube-Video ===
== Literatur ==
<references />
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