Der Wiegand-Effekt und seine Anwendung

In diesem Beitrag geht es um den Wiegand-Effekt und dessen Anwendung am Beispiel eines Drehwinkelgebers.

Wiegand-Sensoren oder Impulsdrahtsensoren enthalten sogenannte Wiegand-Drähte als wesentliches Bauelement, die durch parallele weich- und hartmagnetische Bereiche eine Hysteresekurve mit zwei ausgeprägten Sprungstellen aufweisen. Die plötzliche Änderung der Magnetisierung verursacht in einer nahen Spule einen Spannungsimpuls, dessen Größe und Form nicht davon abhängt, wie schnell das äußere Magnetfeld sich ändert. Dieser Effekt wurde 1972 von John Richard Wiegand entdeckt und patentiert.

Wiegand-Sensoren werden heute vorwiegend zur Bewegungserfassung mittels (Dreh-)Impulsgebern oder in Weg- und Näherungssensoren eingesetzt. Möglich Anwendungsbeispiele sind:

  • Lineare Abtastung mit bewegten Magneten (Wegsensor).
  • Abtastung an rotierenden Systemen mit bewegten Magneten (Drehwinkelgeber).
  • Identkarte mit Wiegand-Drähten und Lesekopf.

Ein typischer Anwendungsfall sind sogenannte Multiturn-Absolutwert-Drehgeber. Absolutwert-Drehgebern verwenden zunächst ein magnetischem Abtastprinzip mit Hall-Sensoren. Ein rotierendes Magnetfeld erzeugt ein Sinus- bzw. Kosinussignal. Dieses Signal wird über den internen Prozessor bearbeitet, sodass der Prozesswert dem Ausgangswert eines Absolutwert-Drehgebers mit optischer Abtastung gleicht. Mit einem zusätzlichen Wiegand-Sensor wird daraus ein Multiturn-Absolutwert-Drehgeber. Ein über dem Wiegand-Sensor rotierendes Permanent-Magnetfeld erzeugt im Kern des Wiegand-Sensors einen Wechsel der Magnetfeldrichtung. Dies führt wiederum zu einer induzierten Spannung in einer darüber gewickelten Spule. Somit steht immer bei einem Magnetfeldrichtungswechsel, also jeweils zwei Mal pro Umdrehung, Energie zur Verfügung. Diese dient zur elektronischen Zählung der Umdrehungen und zur Speicherung in einem nichtflüchtigen Speicher.

Dieser Mechanismus funktioniert erstens auch bei sehr langsamen Drehzahlen und zweitens auch bei einem Ausfall der Stomversorgung des Drehgebers.

Was sich zunächst relativ einfach anhört, stellt in der Praxis hohe Anforderungen an die Hardware des Drehgebers, bewegen sich doch die zu erwartenden Spannungsimpulse nur im unteren Mikrovolt-Bereich.

OKN besitzt umfangreiche Erfahrung aus der Teilnahme an Entwicklungsprojekten von Absolutwert-Drehgebern mit Integration des Wiegand-Effekts. Gerne unterstützen wir auch Sie bei ihrer Entwicklung oder Optimierung ihrer Drehwinkelgeber.

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