Hall-Sensor

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Aufgrund eines Stromes I und einer magnetischen Flussdichte B entsteht die Hallspannung UH

Ein Hall-Sensor ['hɔːl-] (auch Hall-Sonde oder Hall-Geber, nach Edwin Hall) nutzt den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Übliches Schaltzeichen.

Wird ein einfacher Hall-Sensor von einem Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom ist (Hall-Effekt). Das Signal ist außerdem auch temperaturabhängig und kann einen Offset haben.

Ein Hall-Sensor liefert auch dann ein Signal, wenn das Magnetfeld, in dem er sich befindet, konstant ist. Dies ist der entscheidende Vorteil im Vergleich zu einem Sensor, der aus Magnet und Spule besteht. Sobald bei dieser Paarung Magnet und Spule zueinander nicht bewegt werden, ist die in der Spule induzierte Spannung null und der Magnet wird nicht erkannt. Ein weiterer wichtiger Vorteil von Hallsensoren ist, dass zu ihrer Realisierung keine magnetisch aktiven Materialien (wie z.B. Nickel oder Eisen) benötigt werden. Damit wird das zu messende Magnetfeld nicht schon dadurch verändert, dass man den Sensor hinein bringt. Magnetoresistive Sensoren oder Flux-Gate-Sensoren besitzen diese Eigenschaft nicht. Lediglich der Betriebsstrom des Hallelements erzeugt ein kleines zusätzliches Magnetfeld das dem zu messenden Magnetfeld additiv überlagert wird. Es entstehen dadurch aber keinerlei Hysterese oder Sättigungseffekte wie sie bei magnetisch aktiven Materialien unvermeidbar sind.

Typen (Klassifizierung nach der Art des Ausgangssignals)[Bearbeiten]

In analogen Hallsensoren wird noch häufig der Strom geregelt um die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Hallsensors zu reduzieren. In modernen Sensoren wird das Hallelement mittlerweile mit konstanter Spannung betrieben um die maximal mögliche Empfindlichkeit zu erreichen und die Empfindlichkeitskorrektur erfolgt mittels digitaler Korrekturrechnung. Der Offset der Hallsensoren wird praktisch ausnahmslos durch eine spezielle Betriebsart des Sensorelementes, dem sogenannten Spinning-Current-Betrieb reduziert. Nichtlinearitäten werden durch Korrekturfunktionen kompensiert die man in Form von Wertetabellen im Sensor einprogrammieren kann. Die Qualität dieser Kompensation (sowie die Eichbarkeit des Gesamtsystems) entscheidet über die Eignung und Qualität des Hallsensors als Messgerät für den magnetischen Fluss.

In digitalen Hallsensoren wird das Signal eines analogen Hallsensors über einen Komparator in ein digitales Signal verwandelt.

Bauformen[Bearbeiten]

Hall-Sensor zur Gleichstrommessung
Hall-Sensor zur Positionsbestimmung

Einachsige Hall-Sensoren werden aus dünnen Halbleiterplättchen hergestellt, weil in ihnen die Ladungsträger-Dichte klein (krampf in einem dünnen Plättchen ist die Dichte genau so groß wie in einer dicken Platte) und somit die Elektronen-Geschwindigkeit groß ist, um eine möglichst hohe Hall-Spannung zu erzielen. Typische Bauformen sind:

  • Rechteckform
  • Schmetterlingsform
  • Kreuzform

Meist werden diese Hall-Elemente in Schaltkreise integriert, in denen eine Signalverstärkung, Temperatur- und Offsetkompensation erfolgt.

Seit ca 2005 gibt es nun auch 3-Achsige Hallsensoren in integrierter Form. Mit einem solchen 3D-Hallsensor kann man den Magnetfeldvektor am Ort des Sensors vollständig mit allen drei Komponenten (Bx, By, und Bz) messen. Am Markt sind aktuell zwei konkurrierende Prinzipien solcher 3D-Hallsensoren verfügbar. Prinzip 1 benutzt mehrere einachsige Hallsensoren um mit Hilfe eines kleinen (mit integrierten) Flusskonzentrators alle drei komponenten des Magnetfeldes zu messen. Prinzip 2 besitzt drei orthogonal ausgerichtete Hallsensoren - für jede der drei Raumachsen einen.

Anwendungen[Bearbeiten]

Hallsensor (rotes Plättchen) im magnetischen Kreis zur Strommessung
Anwendungsbeispiel eines Hall-Sensors zur Positionsbestimmung
  • Magnetfeldmessung (magnetische Flussdichte)
  • Potentialfreie Strommessung (Stromsensor): Wird das Magnetfeld durch einen stromdurchflossenen Leiter oder eine Spule erzeugt, kann man potentialfrei die Stromstärke in diesem Leiter bzw. der Spule messen.
  • berührungs- und kontaktlose Signalgeber
  • Schichtdickenmessgeräte
  • Kommutierung elektronisch kommutierter Motoren

oder zur Lageerfassung.

In der Automobilindustrie finden Hall-Sensoren vielfältige Anwendung, z. B. im Gurtschloss, als Raddrehzahlsensoren, im Türschließsystem, bei der Pedalzustandserkennung, in der Getriebeschaltung oder zur Erkennung des Zündzeitpunkts. Hauptvorteil ist die Unempfindlichkeit gegen (unmagnetischen) Schmutz und Wasser. In der Kraftwerkstechnik werden Hall-Sensoren beispielsweise zur Erfassung der Turbinendrehzahl verwendet.

Ferner findet man sie in bürstenlosen Motoren z. B. bei PC-Lüftern und Disketten-Laufwerken.

Es gibt auch Computertastaturen mit Hall-Sensoren unter jeder Taste.

Hall-Sensoren mit analogen Signalausgängen werden für die Messung sehr schwacher Magnetfelder (Erdmagnetfeld), z. B. als Kompass in Navigationssystemen, eingesetzt.

Als Stromsensoren werden sie im Spalt des Eisenkernes einer vom Messstrom durchflossenen Spule oder eines Leiters eingesetzt. Solche Stromsensoren werden als komplettes Bauteil angeboten, sind sehr schnell, können im Gegensatz zu Stromwandlern auch zur Messung von Gleichströmen eingesetzt werden und bieten eine Potenzialtrennung zwischen den meist mit dem Stromnetz verbundenen Leistungskreisen und der Steuerelektronik.

Als Lageerkennungssensoren oder kontaktlose Taster arbeiten sie in Verbindung mit Dauermagneten und haben einen Schwellenwertschalter integriert.

Hall-Sensoren können in Verbindung mit einer Erregerspule auch anstelle einer Empfängerspule in Metalldetektoren verwendet werden.

Spinning-Current-Betrieb bei Hall-Sensoren[Bearbeiten]

Um die durch Geometriefehler, piezoresistive Effekte, inhomogene Temperaturen etc. entstehende Offsetspannung zu unterdrücken, werden Hall-Sensoren mit mehreren Anschlüssen (meist 4) rotationssymmetrisch konstruiert. Hallkontakte sind damit in ihrer Form identisch realisiert wie Stromkontakte. Zwei dieser Anschlüsse dienen als Stromversorgung, zwei als Hallspannungsabnehmer. Die Funktionen der Anschlüsse werden reihum vertauscht. Durch entsprechende Auswertung der Messergebnisse wird die Offsetspannung deutlich reduziert. Dabei ist es möglich diesen Spinning-Current Betrieb sowohl räumlich als auch zeitlich zu realisieren. Räumlich bedeutet, dass mehrere Hallsensoren in enger räumlicher Nachbarschaft realisiert werden die gleichzeitig mit unterschiedlichen Stromrichtungen betrieben werden. Zeitlich bedeutet, dass ein Hallsensor zeitlich hintereinander mit unterschiedlichen Stromrichtungen betrieben wird. Der finale Messwert ist jeweils der Mittelwert aus den Einzelmesswerten der unterschiedlichen Betriebsstromrichtungen. In besonders hochwertigen Hallsensoren werden sogar beide Vorgehensweisen miteinander kombiniert angewendet. Diese Verfahren finden vor allem bei integrierten Sensoren Anwendung und nutzen die Periodizität der piezoresistiven Konstanten in der Chipebene aus um den sonst sehr grossen Offset der Sensoren extrem stark zu reduzieren (ca. Faktor 1000 bis 10000).

Technische Daten[Bearbeiten]

Die Empfindlichkeit wird üblicherweise in Millivolt pro Gauß (mV/G) angegeben. Dabei gilt:

Tesla = 10.000 Gauß (1 G = 10−4 T).

Darüber hinaus finden auch mV/V-T, mV/A-T, mV/mA-mT etc. Verwendung. Dabei bezieht man die Versorgungs-/Testspannung bzw. -strom in die Angabe für die Sensitivität mit ein.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Josef Janisch: Kleiner Effekt – Große Wirkung. In: elektronik industrie. Nr. 07/2006, ISSN 0374-3144 (0,6 MB, abgerufen am 1. Mai 2007).