Bisherige Versuche des Monats

Im Buch

NEU Physikalische Schülerversuche mit PC und Mikroprozessor, 2. Auflage, im Buchhandel erschienen

hat der Autor zwei relativ einfache Schaltungen von Hallsonden zum Anschluss an ein Messinterface bzw. einen Mikroprozessor mit zugehörigen Schülerversuchen vorgestellt. Sie konnten auch nutzen, dass in bestimmten Mikroprozessoren Spannungsverstärker mit wählbarer Verstärkung bzw. Differenzverstärker eingebaut sind.

Hier dagegen wird eine noch einfachere Schaltung für Schülerversuche beschrieben, deren Anzeige mit einem schulüblichen Multimeter erfolgt. Verschiedene Magnetfeld-Messbereichen werden dann evtl. durch den Spannungs-Messbereich des Multimeters gewählt. Der geringe Preis eines solchen Gerätes lässt mehrfache Anschaffung zu, so dass parallele Versuche "in gleicher Front" oder "Lernen an Stationen" möglich werden. Natürlich kann auch ein Messinterface angeschlossen werden.

Für den Aufbau muss zusätzlich zum für wenige Euro käuflichen Magnetfeldsensor nur noch für eine stabilisierte 5V-Spannung (aus einem 9V-Batterieblock) und für Steckeranschlüsse für das Multimeter gesorgt werden. Bei verschwindendem Magnetfeld ist die Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors 2,5 V. Durch eine Kombination von zwei identischen Widerständen (1 %, z.B. 10 kOhm) wird diese Nullfeldspannung abgetrennt. Bei einer "Luxusvariante", die besonders für Messungen des Erdmagnetfelds geeignet ist, ist einer der zwei gleichen Widerstände als Spindelpotentiometer ausgeführt zusätzlich zu einem kleinen Überschusswiderstands (z.B. 100 Ohm), so dass die Ausgangsspannung bei Nullfeld genau auf 0 mV eingestellt werden kann.

Abb. 1: Schaltung der Hallsonde für Schülerversuche. Als Magnetfeld-Sensor wird der Baustein von Micronas (*) verwendet, dessen Ausgangsspannung proportional zur magnetischen Flussdichte B ist. Der Hauptteil in der Schaltung zeigt die Gewinnung einer stabilisierten 5V-Spannung aus der 9V-Spannung einer Blockbatterie. Da erfahrungsgemäß Batterien in Schülerhänden eine Neigung haben, leer zu sein, wenn man sie benutzen möchte, ist zum Einschalten ein Taster vorgesehen, der (nur) bei Gebrauch ständig gedrückt sein muss. Eine optionale Kombination von LED und Vorwiderstand zeigt evtl. die Funktion der Spannungsversorgung an. Als Spannungsstabilisator wird die Low-Drop-Variante LM2936-5 (Positiv-Regler) vor allem wegen ihrer geringen Größe verwendet. Notfalls geht auch ein Baustein vom Typ 7805. Die Kondensatoren dienen zur Stabilisierung und zur Unterdrückung von Hochfrequenzschwingungen. Eventuell können der 100 nF-Kondensator links und der 10 µF-Kondensator rechts auch weggelassen werden.

Die Schaltung wird auf einem fünfzeiligen Streifen einer Lochstreifenkarte aufgebaut. Für Taster und Steckeranschlüsse braucht man etwas mehr Platz. Wir verwendeten ein etwas breiteres Platinchen für diese drei Bauteile, durch Leiterbahnunterbrechungen vom Rest der Schaltung getrennt. Der 9V-Block diente zugleich als Halter für die Sonde. Er wurde zur Isolation mit Klebeband umwickelt. Die beiden Platinchen wurden ebenfalls mit Klebeband auf dem 9V-Block befestigt.

Eine etwas günstigere Version zeigt Abb. 3, wobei fast die gesamte Elektronik mit dem 9V-Batterieblock im Gehäuse eingebaut sind.

Abb. 3: Gehäuse-Variante. Im Gehäuse ist der 9V-Block, die Erzeugung der stabilisierten 5V-Spannung und der Spannungsteiler zur Kompensation der Nullfeld-Spannung untergebracht. Leider war im Inneren kein Platz mehr für die beiden Telefonbuchsen zum Anschluss eines Multimeters, die deshalb etwas unkonventionell angebracht sind.

Abb. 3a: Gehäuse-Variante: Rückseite. Man erkennt die Zuführung zur Hallsonde und das Batteriefach. Im Unterschied zum Foto erscheint es günstiger, das Sondenbauteil einzulöten. Dabei sind übliche Maßnahmen gegen Überhitzung einzuhalten. Zwei der 3 Anschlussbeinchen müssen vorsichtig bei Sicherung durch eine Zange durch eine weitere Zange gebogen werden, so dass sie zum Rastermaß des Lochstreifens passen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass dabei das Gehäuse des Bauteils verletzt wird.

Es sind verschiedene Typen des bereits programmierten Hall-Sonden-Bausteins mit Analog-Ausgang erhältlich (dreibeiniger HAL182xUA-K im Gehäuse TO92UA-1 von Micronas, x = 1, 2 , 3; der Sensor enthält Verstärkung und Temperaturstabilisierung):

Bei einer Empfindlichkeit 50 mV/mT führt das Erdmagnetfeld (typisch 50 µT = 0,05 mT zu einer Ausgangsspannung von ca. 2 mV: Richtungsabhängigkeit gerade noch mit unserem Gerät nachweisbar. (Bei dem Prototyp erhielten wir ohne Spindelpotentiometer eine Nullfeldspannung von ca. 4 mV. Deswegen zeigte der 3. Typ von Sensor in bzw. gegen Hauptfeldrichtung ca. 5 mV = 4 mV + 1 mV bzw. 3 mV = 4 mV - 1 mV an.

Die Sensoren von Micronas sind in CMOS-Technik aufgebaut. Sie benötigen die dafür üblichen Schutzmaßnahmen gegen elektrostatische Aufladung. Beim Micronas-Sensor muss recht genau die 5V-Betriebsspannung eingehalten werden.

Mögliche Versuche (siehe auch SG104):

• Abhängigkeit des Magnetfelds einer Spule von der Stromstärke
• Abhängigkeit von Windungszahl n und Spulenlänge l, bzw. Unabhängigkeit von n/l
• bei einer stromdurchflossenen Spule Unabhängigkeit von B von der Windungsfläche
• Nachweis der Homogenität von B in einer langen Spule und der Inhomogenität in einer kurzen Spule
• unterschiedliche Richtungen des Magnetfelds bei Spule und Permanentmagneten, z.B. auch beim Rotor eines Fahrrad-Dynamos
• absolute Messung von B (Erdmagnetfeld, Permanentmagnet, stromdurchflossene Spule, ... )
• Bestimmung der magnetischen Feldkonstanten

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Eine andere Schaltung für eine Hallsonde finden Sie hier.

^(*) Micronas

Micronas GmbH, POB 940, 79008 Freiburg, Tel. 0761 517 0, Fax 0761 5172174, docservice@micronas.com

( November 2014 )