Ratgeber
Hall-Sensoren sind zwar klein und preiswert, dennoch spielen sie in zahlreichen technischen Anwendungen eine bedeutende Rolle. In Autos sind sie ebenso zu finden wie in Smartphones oder Industrierobotern. Ihr Prinzip: Sie reagieren auf Magnetfelder.
Hier erfahren Sie, wie sie dies machen und welche Einsatzmöglichkeiten sich damit ergeben. Wir geben Ihnen außerdem Tipps für die Beschaffung.
Ein Hall-Effekt-Sensor oder einfach Hall-Sensor ist ein Gerät zur Messung der Flussdichte eines magnetischen Feldes. Seine Ausgangsspannung ist direkt proportional zur Stärke des Feldes, das ihn umgibt. Die häufigsten Anwendungen sind Näherungsmessung, Positionierung, Geschwindigkeitserfassung oder Strommessung.
Oft ist ein Hall-Sensor mit einer Schwellenwertschaltung ausgestattet, so dass er als Schalter fungiert und auch so bezeichnet wird. Solche Bauelemente finden sich in zahlreichen industriellen Anwendungen, aber auch in elektronischen Geräten wie Computerdrucker. Hier erkennen sie fehlendes Papier oder offene Gehäuseabdeckungen. Sie lassen sich sogar in Computertastaturen einsetzen, wenn eine hohe Zuverlässigkeit der Eingaben erforderlich ist.
Im Automobilbereich dienen sie zur Geschwindigkeitsmessung von Rädern und Wellen, zum Beispiel zum Bestimmen des Zündzeitpunkts von Verbrennungsmotoren, im Tachometer und im Antiblockiersystem. Genutzt werden sie aber auch in bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotoren, um die Position des Permanentmagneten zu erfassen.
Der Detektor eines Hall-Sensors besteht in der Regel aus dünnen Halbleiterschichten, die von Strom durchflossen werden. Gerät der Detektor in die Nähe eines Magneten, lenken dessen Kraftlinien die sich normalerweise geradeaus bewegenden Ladungsträger zu einer Kante hin bogenförmig ab. Folge: Eine Kante des Leiters lädt sich dabei negativ und die gegenüberliegende Kante positiv auf. Die Spannung zwischen diesen Ebenen wird als Hall-Spannung bezeichnet. Wenn sich der Speisestrom nicht ändert, dann ist diese Spannung ein Maß für die magnetische Flussdichte.
Das Erzeugen einer messbaren Elektrizität durch ein Magnetfeld wird als Hall-Effekt bezeichnet, benannt nach dem Physiker Edwin Hall, der ihn in den 1870er Jahren entdeckte. Hall-Elemente besitzen gegenüber induktiven Detektoren einen großen Vorteil : Während letztere nur auf ein sich änderndes Magnetfeld reagieren, das Strom in einer Drahtspule induziert und am Ausgang einen Strom erzeugt, können Hall-Elemente auch statische Magnetfelder erkennen.
Die Hall-Spannung ist aber recht klein und beträgt oft nur wenige Mikrovolt, selbst in einem starken Magnetfeld. Daher sind die meisten kommerziell erhältlichen Bauteile mit eingebauten Gleichstromverstärkern, logischen Schaltkreisen, Spannungsreglern und Schaltungen zur Temperaturkompensation ausgestattet. Dies ermöglicht es dem Hallsensor auch, über einen größeren Bereich von Stromversorgungen und unter unterschiedlichen Magnetfeldbedingungen zu funktionieren.
Im Allgemeinen sind Hallsensoren so konstruiert, dass sie sich im Aus-Zustand befinden, wenn kein Magnet vorhanden ist. Sie schalten nur dann ein, wenn sie einem Feld in ausreichender Stärke und Polarität ausgesetzt sind.
Hallsensoren sind entweder mit analogen oder digitalen Signalausgängen erhältlich.
Das Signal analoger Versionen wird direkt am integrierten Operationsverstärker abgenommen, wobei die Ausgangsspannung proportional dem umgebenden magnetischen Feld entspricht. Solche Linear-Hall-Sensoren liefern somit eine kontinuierliche Spannung, die bei einem starken Feld zunimmt und bei einem schwachen abnimmt.
Digitale Sensoren hingegen sind mit einem sogenannten Schmitt-Trigger mit eingebauter Hysterese verdrahtet, der wiederum mit dem Operationsverstärker verbunden ist.
Effekt: Wenn der magnetische Fluss einen voreingestellten Wert überschreitet, schaltet der Ausgang des Geräts schnell vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand, ohne dass es zu irgendeinem Kontaktprellen kommt. Die eingebaute Hysterese eliminiert jegliche Oszillation des Ausgangssignals, wenn sich das Sensorelement in das magnetische Feld hinein und aus ihm heraus bewegt. Digitale Hall-Sensoren liefern also nur die beiden Zustand Ein und Aus.
Unter den digitalen Hall-Sensoren wird außerdem zwischen bipolare und unipolare Typen unterschieden. Bipolare Sensoren benötigen ein positives Magnetfeld – den Südpol – zur Aktivierung und ein negatives Feld – den Nordpol – zur Deaktivierung. Unipolare Sensoren funktionieren auch ohne Nordpol.
Hall-Sensoren lassen sich im einfachsten Fall als Schalter nutzen, der über einen Permanentmagneten an einer sich bewegenden Welle oder einem Hebel aktiviert wird.
Um die maximale Empfindlichkeit des Sensors zu gewährleisten, müssen die magnetischen Flusslinien allerdings immer senkrecht zur seiner Abtastfläche verlaufen und die richtige Polarität aufweisen.
Eine weitere Anwendung ist die Funktion eines Näherungssensors anstelle von optischen oder akustischen Sensoren, wenn die Umgebungsbedingungen das Sensorelement verschmutzen können, in Automobilanwendungen beispielsweise.
Durch die Platzierung des Hall-Sensors neben dem Leiter lassen sich auch kontaktlos elektrische Ströme von einigen Milliampere bis hin zu Tausenden von Ampere anhand des erzeugten Magnetfeldes messen, ohne Investitionen in große oder teure Transformatoren und Spulen.
Neben der Erkennung der An- oder Abwesenheit von Magneten und Magnetfeldern dienen Hall-Sensoren auch zur Erkennung ferromagnetischer Materialien wie Eisen und Stahl, indem ein kleiner permanenter "Vormagnetisierungs"-Magnet hinter dem aktiven Bereich des Geräts platziert wird. Der Sensor befindet sich dabei in einem permanenten und statischen Magnetfeld, und jede Änderung oder Störung dieses Magnetfeldes durch das Einbringen eines eisenhaltigen Materials wird erkannt.
Da Hall-Sensoren nur mit Gleichstrom funktionieren, ist die Auswahl des minimalen und maximalen Betriebsspannungsbereichs essentiell. Das Minimum liegt zwischen 1 und 6,6 Volt, das Maximum zwischen 5,4 und 30 Volt. Die Empindlichkeitsskala reicht von 0,003 bis zu 0,1 Tesla.
Hinsichtlich der Montage gibt es Hall-Sensoren sowohl für die Oberflächen- (SMD) als auch für die Durchsteckmontage (THT), zum Anschluss stehen Kabel mit offenem Ende, Lötpins und Printdrähte zur Verfügung.
FAQ – häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen einem Hallsensor und einem Reed-Schalter?
Zunächst lassen sich beide Bauteile als elektrische Schalter verwenden, die bei Annäherung eines Magneten einen Stromkreis schließen. In Hallsensoren erfolgt das Einschalten allerdings kontaktlos durch eine Schwellenwertspannung. Reed-Schalter funktionieren dagegen rein mechanisch. Sie enthalten einen federnden Metallstreifen, der durch ein Magnetfeld so gebogen wird, dass er mit einem Kontakt in Berührung kommt und so den Stromkreis schließt.
Können Hallsensoren durch zu starke Magnetfelder zerstört werden?
Nein, für gängige im Handel angebotenen Sensoren gibt es kein Limit der magnetischen Flussdichte.
In welchem Zusammenhang stehen die Begriffe Tesla und Gauß?
Bis 1970 galt das Gauß als gesetzliche Einheit für die magnetische Flussdicht. Seitdem gilt dafür das Tesla, benannt nach dem italienischen Erfinder Nikola Tesla.
Die Umrechnung ist recht einfach: 1 Tesla entspricht 10.000 Gauß, umgekehrt entspricht ein Gauß 0,0001 Tesla.