Hall-Sensor

Anwendungsbeispiel eines Hall-Sensors zur Positionsbestimmung

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

Funktionsweise

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. Das Signal ist außerdem auch temperaturabhängig und kann einen Offset haben.

Ein Hall-Sensor liefert auch dann ein Signal, wenn das Magnetfeld konstant ist. Das ist der entscheidende Vorteil im Vergleich zur Paarung Magnet und Spule. Sobald bei dieser Paarung der Magnet nicht bewegt wird, ist die in der Spule induzierte Spannung null und der Magnet wird nicht erkannt.

Typen

In analogen Hallsensoren wird der Strom geregelt, und die Temperaturabhängigkeit des Signals, der Offset sowie allfällige Nichtlinearitäten werden kompensiert. Die Qualität dieser Kompensation (sowie die Eichbarkeit des Gesamtsystems) entscheidet über die Eignung und Qualität des Hallsensors als Messgerät für magnetischen Fluss.

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

Bauformen

Hall-Sensor zur Gleichstrommessung

Hall-Sensor zur Positionsbestimmung

Hall-Sensoren werden aus dünnen Halbleiterplättchen hergestellt, weil in ihnen die Ladungsträger-Dichte klein 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 und Temperaturkompensation erfolgt.

Anwendungen

Hallsensor (rotes Plättchen) im magnetischen Kreis zur Strommessung

• 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, 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 werden mit analogen Signalausgängen für sehr schwache 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-Hall-Sensor

Um die durch Geometriefehler, piezoresistive Effekte, inhomogene Temperaturen etc. entstehende Offsetspannung zu unterdrücken, werden Hall-Sensoren mit mehreren Anschlüssen (meist 8) konstruiert. Zwei dieser Anschlüsse dienen als Stromversorgung, zwei als Hallspannungsabnehmer. Dieses Verfahren findet vor allem bei integrierten Sensoren Anwendung und nutzt die Periodizität der piezoresistiven Konstanten in der Chipebene aus. Die Funktionen der Anschlüsse werden reihum vertauscht. Durch entsprechende Auswertung der Messergebnisse wird die Offsetspannung deutlich reduziert.

Technische Daten

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

1 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.

Literatur

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