Ratgeber
Magnetische Felder spielen in Elektrotechnik und Elektronik eine wichtige Rolle, beispielsweise im Bereich der Sensoren. Vor allem Hall-Sensoren sind in zahlreichen Anwendungen zu finden, da sie nicht nur das Vorhandensein magnetischer Felder detektieren, sondern auch deren Stärke.
In unserem Ratgeber erklären wir den grundlegenden Hall-Effekt, stellen Aufbau, Funktion und Anwendungsbereiche dieser Sensoren vor und geben Tipps für die Beschaffung.
Hall-Sensoren sind elektronische Sensoren, die das Vorhandensein und die Stärke eines Magnetfelds messen. Sie basieren auf dem Hall-Effekt, entdeckt im Rahmen seiner Doktorarbeit vom US-amerikanischen Physiker Edwin Hall im Jahr 1879.
Hier eine kurze Erklärung des Effekts: Wenn sich Elektronen oder andere Ladungsträger in einem Leiter bewegen und ein Magnetfeld senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen angelegt wird, unterliegen die Elektronen der Lorentzkraft. Diese Kraft wirkt senkrecht sowohl zur Richtung des Stroms als auch zum Magnetfeld. Das führt zu einer Ablenkung der Elektronen, die eine Ladungstrennung innerhalb des Leiters verursacht.
Durch die entstandene Ladungstrennung entsteht eine elektrische Spannung – die Hall-Spannung – quer zur Stromrichtung. Diese lineare Spannung ist proportional zur Stromstärke, zur Stärke des Magnetfelds und umgekehrt proportional zur Ladungsträger- beziehungsweise Flussdichte und Dicke des Materials.
Hall-Sensoren nutzen den Effekt zur berührungslosen Messung von Stärke und Richtung eines Magnetfelds. Sie lassen sich aber als berührungslose Schalter verwenden, aktiviert durch das Vorhandensein oder Fehlen eines Magnetfelds. Grundsätzlich sind hochwertige Magnetfeldsensoren des Hall-Typs weitgehend unempfindlich gegenüber Verschmutzungen, Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen. Zu finden sind sie in einer Vielzahl von Anwendungen, von der Positionsmessung bis zur Strommessung.
Ein typischer bipolarer Hall-Sensor besteht aus einem dünnen Plättchen Halbleitermaterial wie Galliumarsenid oder Indiumantimonid. Gehäuse und Verdrahtung vieler Sensoren ähneln einem herkömmlichen Transistor: Es gibt drei radial herausgeführte Kontaktdrähte für die THT-Montage. Einige Varianten verfügen über drei flexible Leitungen mit offenen Enden, ein dreiadriges Kabel oder einen Stecker. Die Kontakte dienen der Stromversorgung mit Betriebsspannungen von etwa 2,40 bis 30,00 Volt Gleichstrom und der Ableitung der zu messenden Hall-Spannung. Eine Sonderform besitzt einen Hebel mit integriertem Sensor, der sich axial um jeweils 45 Grad positionieren lässt oder eine Drehachse. Auf diese lässt sich ein beliebiger Hebel montieren, die Rotation reicht bis zu 60 Grad
Größter Vorteil dieses Aufbaus: Hallsensoren arbeiten für die Messung grundsätzlich ohne mechanische Berührung des signalgebenden Magneten, sie verschleißen deshalb nicht und verfügen über eine lange Lebensdauer. Außerdem sind sie in der Regel unempfindlich gegenüber Verschmutzungen und Feuchtigkeit.
Magnetfeldsensoren zur Detektion des Hall-Effekts finden sich in vielen Anwendungen aufgrund ihrer Fähigkeit, Magnetfelder präzise und berührungslos zu messen. In der Automobilindustrie zum Beispiel fungieren sie als Kurbelwellen- und Nockenwellensensoren und erfassen Position und Drehzahl der Wellen. Bei ABS-Systemen messen sie die Raddrehzahl, als Positionssensoren die Stellung von Fahrzeugsitzen, Gaspedalen und anderen beweglichen Teilen.
Ein weiterer wesentlichen Einsatzbereich ist die Industrieautomation. Hier erfassen sie unter anderem die Rotorposition in bürstenlosen Gleichstrommotoren und überwachen Position und Geschwindigkeit von beweglichen Teilen in Produktionsanlagen. Außerdem dienen sie der Überwachung des Stromflusses in industriellen Steuerungen und Leistungsanlagen.
Im Bereich der Strom- und Energieversorgung messen Hall-Effekt-Sensoren den Stromfluss in Stromzählern und Ladestationen, bei Sicherheitsanwendungen das Öffnen und Schließen von Türen und Fenstern. Häufig anzutreffen sind auch als magnetische Schalter zum Ermitteln der Position von Schalthebeln und Relais.
Was ist der Unterschied zwischen einem Hall-Sensor und einem Reed-Schalter?
Sowohl Hall-Sensoren als auch Reed-Schalter reagieren auf die Anwesenheit von Magnetfeldern, aber sie funktionieren auf unterschiedliche Weise und besitzen unterschiedliche Eigenschaften. Ein Hall-Sensor nutzt den Hall-Effekt, bei dem eine Spannung erzeugt wird, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu einem durchfließenden Strom auf ein leitfähiges Material trifft. Diese Spannung ist proportional zur Stärke des Magnetfeldes.
Ein Reed-Schalter besteht dagegen aus zwei ferromagnetischen Kontaktzungen, eingeschlossen in einem luftleeren oder mit Gas gefüllten Glasröhrchen. Wenn ein Magnetfeld in die Nähe des Röhrchens kommt, ziehen sich die Zungen an und schließen den Stromkreis. Ein Reedschalter arbeitet somit rein mechanisch und liefert nur ein Ein/Aus-Signal.
Art des Hall-Sensors
Analoge Hall-Sensoren liefern eine kontinuierliche Spannung proportional zur Magnetfeldstärke. Digitale Hall-Sensoren verfügen über eine kleine elektronische Schaltung. Sie erzeugt ein binäres Signal, das bei Überschreiten eines Schwellenwerts umschaltet. Unipolare Sensoren reagieren nur auf ein Magnetfeld in einer Richtung, während bipolare Hall-Effekt-Sensoren auf Magnetfelder in beiden Richtungen reagieren.
Empfindlichkeit und Genauigkeit
Achten Sie auf die Empfindlichkeit des Sensors. Sie bestimmt, wie stark das Magnetfeld sein muss, um eine messbare Spannung zu erzeugen. Stellen Sie außerdem sicher, dass der Sensor die erforderliche Genauigkeit für Ihre Anwendung bietet.
Umweltbeständigkeit
Achten Sie auf die Schutzklasse des Sensors. Ein höherer IP-Schutz bietet besseren Schutz vor Staub und Feuchtigkeit. In einigen Umgebungen kann auch der EMV-Schutz wichtig sein. Stellen Sie sicher, dass der Sensor gegen elektromagnetische Interferenzen geschützt ist, besonders in Anwendungen mit hohen elektrischen Störungen.
Bauform und Größe
Wählen Sie eine Bauform und Größe, die zu Ihrer Anwendung passt. Stellen Sie sicher, dass der Sensor in das vorgesehene Gehäuse passt und einfach montiert werden kann. Sehr wichtig sind die Pinbelegung und die Anschlussarten des Sensors. Nur dann ist die Kompatibilität mit Ihrer Schaltung gewährleistet.
Ausgangssignal
Auch das Ausgangssignal des Sensors muss mit Ihrer Schaltung kompatibel sein. Achten Sie auf die Ausgangsspannung und -stromstärke. Wenn eine Signalverarbeitung erforderlich ist: Überprüfen Sie, ob der Sensor zusätzliche Komponenten benötigt, beispielsweise Verstärker oder Filter.
Zusätzliche Funktionen
Einige Hall-Sensoren bieten eine Temperaturkompensation für eine verbesserte Genauigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen. Manche Sensoren besitzen sogar integrierte Diagnosefunktionen, sie erleichtern Überwachung und Fehlersuche.
Betriebstemperaturbereich
Überprüfen Sie den Betriebstemperaturbereich des Sensors, er muss den Umgebungsbedingungen Ihrer Anwendung standhalten, das gilt besonders in Automobil- oder Industrieumgebungen.
Stromverbrauch
Zu berücksichtigen ist der Stromverbrauch des Hallsensors, wenn er in batteriebetriebenen oder energieeffizienten Systemen eingesetzt wird.