In älteren Drehzahlmessern, kontaktlosen Tastaturen und Zahnradsensoren von Industrieanlagen steckt manchmal ein Bauteil, das du in keinem aktuellen Katalog mehr findest: die Feldplatte, auch MDR (Magnetic Dependent Resistor) genannt. Sie ist ein Widerstand, dessen Wert mit der Stärke eines Magnetfelds steigt. Hergestellt wurde sie vor allem von Siemens und später Infineon; die Fertigung endete Anfang der 2000er Jahre. Trotzdem lohnt sich ein Blick auf sie: Das Prinzip steckt in modernen Magnetsensoren weiter, und wer alte Geräte repariert, begegnet ihr noch.
Aufbau
Eine Feldplatte besteht aus einer dünnen Schicht Indiumantimonid (InSb) auf einem Träger aus Keramik, Kunststoff oder einem weichmagnetischen Material. Indiumantimonid ist ein Halbleiter mit einer außergewöhnlich hohen Beweglichkeit der Elektronen – sie reagieren deshalb besonders stark auf ein Magnetfeld. In die Schicht sind beim Herstellen feine, parallel ausgerichtete Nadeln aus Nickelantimonid (NiSb) eingewachsen. Nickelantimonid leitet metallisch gut. Die Nadeln liegen quer zur Stromrichtung.
Damit die Platte einen brauchbaren Widerstand hat, wird die Schicht meist mäanderförmig strukturiert. Typische Grundwiderstände ohne Magnetfeld liegen zwischen einigen zehn Ohm und einigen Kiloohm.
Funktionsweise
Fließen Elektronen durch ein Magnetfeld, das senkrecht auf ihrer Bewegungsrichtung steht, lenkt die Lorentzkraft sie seitlich ab (siehe Elektromagnetismus). In einem langen Halbleiterstreifen würde sich dadurch am Rand Ladung sammeln – die Hallspannung, die der Hallsensor misst – und die Ablenkung wäre bald ausgeglichen. Die Nickelantimonid-Nadeln verhindern genau das: Sie schließen die Hallspannung immer wieder kurz. Zwischen zwei Nadeln laufen die Elektronen deshalb dauerhaft schräg statt gerade. Ihr Weg wird länger, und der Widerstand steigt.
Daraus folgen zwei Eigenschaften:
- Die Richtung des Felds spielt keine Rolle. Ob Nord- oder Südpol – die Elektronen werden nur zur einen oder anderen Seite abgelenkt, der Weg wird in beiden Fällen länger. Die Kennlinie ist symmetrisch zur Achse B = 0.
- Nur die Feldkomponente senkrecht zur Platte wirkt. Ein Feld, das flach in der Plattenebene liegt, ändert den Widerstand kaum.
Bei kleinen Flussdichten wächst der Widerstand ungefähr quadratisch mit B:
Dabei ist R0 der Grundwiderstand und μ die Beweglichkeit der Elektronen. Bei größeren Feldern geht die Kurve in einen nahezu linearen Anstieg über. Was Flussdichte und Tesla bedeuten, erklärt magnetische Größen.
Schaltzeichen
Das Schaltzeichen ist das Rechteck des Widerstands mit dem Knickstrich der abhängigen Widerstände; daneben steht ein „B“ für die magnetische Flussdichte (siehe Schaltzeichen). Bei Differentialfeldplatten zeichnet man zwei solche Widerstände mit Mittelanschluss.
Kennlinie und Kennwerte
Die wichtigen Kennwerte einer Feldplatte:
| Kennwert | Bedeutung |
|---|---|
| R0 | Grundwiderstand ohne Magnetfeld bei 25 °C |
| RB / R0 | Widerstandsverhältnis bei einer bestimmten Flussdichte |
| Temperaturkoeffizient | negativ, einige Zehntel Prozent pro Kelvin |
| Betriebstemperatur | bei Industrietypen etwa −40 bis +140 °C |
| höchste Verlustleistung | einige zehn bis einige hundert Milliwatt |
Der große Nachteil ist die Temperaturabhängigkeit: Indiumantimonid ist ein Halbleiter mit kleinem Bandabstand und ändert seinen Widerstand deutlich mit der Temperatur (siehe Temperaturverhalten von Halbleitern). Deshalb setzte man Feldplatten fast immer paarweise ein.
Differentialfeldplatte und Zahnradsensor
Die verbreitetste Bauform war die Differentialfeldplatte: zwei gleiche Feldplatten nebeneinander in Reihe, mit herausgeführtem Mittelanschluss, dazu ein kleiner Dauermagnet hinter dem Sensor. Ein Typ wie die FP 210 L 100 von Siemens hatte zum Beispiel zweimal 100 Ω Grundwiderstand und einen eingebauten Vormagnet.
Der Sensor zeigt auf ein Zahnrad aus Eisen. Der Vormagnet erzeugt ein Feld durch beide Platten. Steht ein Zahn vor einer der Platten, bündelt er dort das Feld – diese Platte wird hochohmiger, die andere bleibt. Am Mittelanschluss eines Spannungsteilers aus den beiden Platten verschiebt sich die Spannung. Dreht sich das Rad, entsteht eine Wechselspannung mit einer Periode je Zahn.
Die Spannungsänderung von rund ±0,23 V wird verstärkt und mit einem Schmitt-Trigger in saubere Rechteckimpulse verwandelt; deren Frequenz geteilt durch die Zahl der Zähne ergibt die Drehzahl.
Was heute an ihre Stelle tritt
- Hallsensoren: messen Betrag und Polarität des Felds, sind billig und als IC mit Verstärker und Schaltausgang erhältlich. Für Schalter, Drehzahl- und Positionsmessung heute der Standard (siehe Hallsensor).
- AMR-Sensoren (anisotroper Magnetowiderstand): dünne Schichten aus Nickel-Eisen, deren Widerstand vom Winkel zwischen Strom und Magnetisierung abhängt. Sie messen sehr kleine Felder und Winkel, etwa im elektronischen Kompass.
- GMR- und TMR-Sensoren (Riesen- und Tunnelmagnetowiderstand): Schichtstapel aus wenigen Nanometern, mit großem Effekt bei kleiner Leistung – vom Festplatten-Lesekopf bis zum Winkelsensor im Auto.
- Reedkontakte: wenn nur „Magnet da oder nicht“ gefragt ist, ganz ohne Versorgung (siehe Reedkontakt).
Praxistipps für Reparaturen
- Ersatz finden: Originale Feldplatten gibt es nur noch als Restbestand. Bei Zahnradsensoren lässt sich oft ein Differential-Hallsensor-IC mit gleicher Funktion einsetzen; Ausgangspegel und Versorgung musst du anpassen.
- Messen: Den Grundwiderstand misst du mit dem Ohmmeter ohne Magnet in der Nähe (siehe Widerstand messen). Hält man einen Magneten davor, muss der Wert deutlich steigen – in beiden Polrichtungen.
- Strom begrenzen: Feldplatten vertragen nur kleine Leistungen. Bei 100 Ω und 100 mW sind es höchstens √(0,1 W / 100 Ω) ≈ 32 mA.
- Vormagnet nicht entfernen: Ohne ihn arbeitet ein Zahnradsensor im flachen, quadratischen Teil der Kennlinie und liefert kaum Signal.
Selbsttest
Was passiert mit dem Widerstand einer Feldplatte im Magnetfeld?
Er steigt, weil die Elektronen schräg abgelenkt werden und einen längeren Weg zurücklegen.
Ändert sich der Widerstand, wenn du den Magneten umdrehst?
Nein, die Kennlinie ist symmetrisch; die Feldplatte reagiert auf den Betrag, nicht auf die Polarität.
Wozu dienen die Nickelantimonid-Nadeln?
Sie schließen die Hallspannung kurz, damit die Ablenkung der Elektronen erhalten bleibt und den Weg verlängert.
Warum verwendet man Feldplatten paarweise als Differentialfeldplatte?
Temperaturänderungen wirken auf beide gleich und heben sich im Spannungsteiler auf; nur der Unterschied durch das Magnetfeld bleibt übrig.
Welches Bauteil ersetzt die Feldplatte heute meist?
Der Hallsensor, für kleine Felder und Winkel auch AMR- und GMR-Sensoren.