Alles, was Sie über Hallgeber wissen müssen
Sensoren für Näherungsschalter, Drehzahlmesser und mehr
In diesem Leitfaden erfahren Sie alles, was Sie über Hall-Effekt-Sensoren wissen müssen, einschließlich der Wissenschaft dahinter, der Einsatzmöglichkeiten dieser Sensoren und wie Sie Messungen mit Hall-Effekt-Sensoren durchführen.
Was ist ein Hall-Effekt-Sensor?
Hall-Sensoren, auch Hallgeber genannt, sind passive Sensoren, die den Spannungsunterschied messen, der an einem elektrischen Leiter erzeugt wird, wenn ein Magnetfeld senkrecht zur Fließrichtung eines elektrischen Stroms steht. Formuliert hat dieses physikalische Phänomen der amerikanische Physiker Edwin Hall, nach dem dieser Effekt und darauf basierende Sensoren benannt sind. Auf diese Weise kann der Sensor ein sich näherndes oder entfernendes Magnetfeld erfassen, in der Regel das eines Dauermagneten, der an einem Objekt befestigt ist.
In diesem Artikel werden Ihnen einige typische Anwendungsmöglichkeiten näher erläutern, und zwar nicht nur die oben beschriebenen, sondern auch weitere, bei denen der Hall-Effekt eine wichtige Rolle spielt.
Was ist der Hall-Effekt?
Fließt Strom durch elektrisch leitendes Material, bewegen die Elektronen sich naturgemäß geradlinig in eine Richtung. Wird der elektrische Leiter zwischen den Polen eines Dauermagneten platziert, passiert nun folgendes:
- Das Magnetfeld des elektrischen Leiters wirkt dem des Dauermagneten entgegen, wodurch sich die Elektronen nicht mehr geradlinig, sondern auf einer gekrümmten Bahn durch das Material bewegen. Dahinter steckt die sogenannte Lorentzkraft.
- Aufgrund der neuen, gekrümmten Bahn sind mehr Elektronen auf einer Seite des elektrisch leitenden Materials vorhanden. Dadurch entsteht im Material ein Potenzialunterschied und zwar sowohl rechtwinklig zum Magnetfeld des Dauermagneten als auch des Stromflusses. Die so erzeugte Spannung, ändert sich je nach Position des Magneten.
- Der Hall-Effekt bezeichnet den Kräfteausgleich zwischen Lorentzkraft und elektrischer Feldkraft. Die daraus resultierende Hall-Spannung ändert sich je nach Position des Magneten.
Gut zu wissen!
So bestimmen Sie die technische Stromrichtung
Die technische Stromrichtung lässt sich leicht mit der rechten "Faustregel" nachvollziehen: Stellen Sie sich einfach vor, Sie würden einen elektrisch leitenden Draht mit der rechten Hand umschließen, sodass der ausgestreckte Daumen in die Richtung zeigt, in die der Strom fließt. Die Finger der Faust zeigen nun den Verlauf des Magnetfeldes an. Bei der physikalischen Stromrichtung verhält es sich genau umgekehrt. In diesem Fall nimmt man einfach die linke Hand.
Wie funktioniert ein Hall-Sensor?
Ein sich im Magnetfeld befindlicher Hall-Effekt-Sensor misst Änderungen in der Hall-Spannung, um so die Position von (ferromagnetischen) Objekten erfassen – je nachdem, ob diese sich nähern oder entfernen. Das Ausgangssignal, das von einem Hall-Sensor ausgegeben wird, entspricht der Dichte eines Magnetfelds, der Flussdichte, um das Gerät und wird als Rechtecksignal ausgegeben.
Durch das in einem Hall-Effekt-Sensor enthaltene Halbleitermaterial fließt ein kontinuierlicher elektrischer Strom, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Befindet sich das Gerät in der Nähe eines externen Magneten, übt der magnetische Fluss eine Kraft auf das Halbleitermaterial aus und bewirkt eine Bewegung der Elektronen. Die dadurch erzeugte, messbare Hallspannung aktiviert den Hall-Effekt-Sensor.
Die Stärke der Ausgangs-Hall-Spannung des Sensors ist direkt proportional der des Magnetfelds, das das Halbleitermaterial durchdringt. Oft ist diese Ausgangsspannung ziemlich niedrig – sie beträgt nur wenige Mikrovolt. Viele Hall-Effekt-Sonden verfügen daher über eingebaute Gleichstromverstärker, Logikschaltkreise und Spannungsregler, um die Empfindlichkeit (und damit die Effizienz) des Geräts zu erhöhen.
Arten von Hall-Effekt-Sensoren
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Hall-Effekt-Sensoren: Geräte mit linearen (oder analogen) Ausgängen und Geräte mit Digitalausgängen.
Sensoren mit linearem Ausgang verwenden eine kontinuierliche Ausgangsspannung, die in einem starken Magnetfeld ansteigt und in einem schwächeren abnimmt. Mit zunehmender Stärke des externen Magnetfelds, wenn sich Sensor und Magnet aneinander nähern, verstärkt sich das Ausgangssignal, bis es den von der Stromversorgung vorgegebenen Grenzwert erreicht.
Im Gegensatz dazu verfügen Geräte mit Digitalausgang über einen bistabilen Stromkreis, den sogenannten Schmitt-Trigger, der den Ausgang kontinuierlich erhöht und verringert, wenn die Spannung auf verschiedene Schwellenwerte ansteigt und abfällt.
Wenn der magnetische Fluss, der durch den Hall-Effekt-Sensor fließt, den voreingestellten Wert des Geräts überschreitet, schaltet der Ausgang des Geräts ihn dank des Schmitt-Triggers von „Aus“ auf „Ein“ um. Wenn sich der Sensor dann in das Magnetfeld hinein- und wieder herausbewegt, eliminiert die Hysterese des Schmitt-Triggers jegliche Schwingung des Ausgangssignals.
Hall-Effekt-Sensoren von Honeywell
DiodesZetex Hall-Effekt-Sensoren
Infineon Hall-Effekt-Sensoren
Digitale Hall-Effekt-Sensoren
Es gibt zwei Arten von digitalen Hall-Effekt-Sensoren: bipolare und unipolare Sensoren, die sich je nach Art des Magnetfelds unterscheiden, die für ihren Betrieb benötigt wird.
Bipolare digitale Hall-Effekt-Sensoren benötigen ein positives Magnetfeld (das vom Südpol eines Magneten ausgeht), um zu funktionieren, und verwenden das negative Magnetfeld (vom Nordpol), um aktiviert zu werden.
Unipolare Sensoren benötigen nur einen einzigen magnetischen Südpol, um zu funktionieren und aktiviert zu werden, wenn sie sich in das Magnetfeld hinein- und wieder herausbewegen.
Da die Ausgangsleistung bei den meisten digitalen Hall-Effekt-Sensoren sehr gering ist, können die meisten dieser Geräte hohe elektrische Lasten nicht direkt schalten. Viele digitale Sensoren setzen dagegen einen NPN-Transistor mit offenem Kollektor ein. Der Transistor fungiert als Schalter und schließt die Ausgangsklemme zur Masse kurz, wenn die Dichte des magnetischen Flusses höher ist als der Einschaltpunkt des Hall-Effekt-Sensors. Es gibt eine große Auswahl an Hall-Effekt-Schaltern, die für eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben geeignet sind.
Verwendung von Hall-Effekt-Sensoren
Je nach Position des Magneten und der Art und Weise, wie er sich zum Sensor bewegt, kommen verschiedene Einsatzmöglichkeiten für Hallsensoren in Frage.Zu den Arten der Magnetbewegung gehören unter anderem:
- Positionsbedingt: frontal und seitlich
- Polarisationsbedingt: Push-Pull und Push-Push
Die jeweiligen Varianten unterscheiden sich in der Art und Weise, wie der Sensor das Magnetfeld aufnimmt. Bevor wir uns die verschiedenen Hall-Effekt-Sensor-Anwendungen ansehen, sollten wir die beiden gängigsten magnetischen Bewegungen betrachten, um zu verstehen, wie und zu welchem Zweck sie funktionieren.
Frontale und laterale Erfassung von Magnetfeldern
Bei der frontalen Erkennung befindet sich das Magnetfeld senkrecht zum Hall-Effekt-Sensor, wobei sich der Magnet gerade auf den Sensor zubewegt. Bei diesem Funktionsprinzip erfassen lineare Sensoren die Stärke des Magnetfelds durch den Abstand des Magneten. Je näher der Magnet, desto stärker ist das Magnetfeld, was zu einer höheren Ausgangsspannung führt.
Bei der seitlichen Erkennung bewegt sich der Magnet parallel zur Fläche des Hall-Effekt-Sensors. Diese Art von Erkennung ist besonders nützlich für die Zählung mittels Rotationsmagneten oder zur Erfassung der Motordrehzahl.
- Zur Erkennung offener Abdeckungen von Maschinen, z.B. von Druckern
- Drehzahlmessung in Autos und sowie Fahrradrädern
- Joysticks (vor allem im professionellen Bereich)
- Stromsensoren, Drucksensoren und Durchflussmesser in Industrie- und Fertigungsprozessen
- Als effiziente, kontakt- und verschleißfreie Messung des magnetischen Flusses von Gleichstrom in Stromwandlern
- Sowie in allen Geräten, die kontaktlose Schalter erfordern, z.B. in elektrischen Druckluftpistolen oder Auslösern elektropneumatischer Paintball-Pistolen.
Hallgeber in Smartphones
Hall-Sensoren bieten durch ihre geringe Größe eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in Smartphones und anderen mobilen Geräten wie Tablets, u.a. zur Erkennung von magnetisch haftenden Klapphüllen. Das Magnetfeld, welches die Hallspannung erzeugt, kommt durch das Schließen der Klapphülle zustande, wenn der darin befindliche Dauermagnet sich dem Sensor im Smartphone oder Tablet annähert. Über einen Schmitt-Trigger im Stromkreis kann das mobile Gerät bestimmte Vorgänge veranlassen, in der Regel das Ein- oder Ausschalten des Geräts.
Nockenwellensensoren und andere Kraftfahrzeuganwendungen
Neben oben genannten Anwendungen kommen Hall-Effekt-Sensoren vor allem in der Automobilindustrie zum Einsatz, unter anderem zur Füllstandmessung von Kraftstofftanks. Hierfür wird in einem vertikalen Schwimmsystem ein Dauermagnet an der Oberfläche eines Schwimmers befestigt, während der Sensor an der Oberseite des Tanks, senkrecht zum Magneten, angebracht wird. Bei vollem Tank bewegt sich der Schwimmer und damit der Magnet in Richtung Sensor und erhöht so die Hallspannung. Sinkt der Füllstand, bewegt sich auch der Magnet vom Sensor weg und die Hallspannung verringert sich wieder. Eine weitere wichtige Funktion ist das Messen der Drehzahl von rotierenden Teilen wie Rädern und Achsen.
Der große Vorteil von Hall-Effekt-Sensoren ist – im Gegensatz zu anderen Messmethoden – ihre relativ geringe Unempfindlichkeit gegenüber Wasser, Staub und Schmutz, welche die Funktion von optischen Sensoren und Lichtsensoren beeinträchtigen würden. Aufgrund dieser Eigenschaft erweisen sich Hallgeber besonders in industriellen Anwendungen als äußerst praktisch, da Magnetfelder nicht durch mechanische Einflüsse unterbrochen werden können.
Gut zu wissen!
Nockenwellensensor prüfen
Bevor Sie einen Kurbelwellen- bzw. Nockenwellensensor prüfen, sollten Sie sichergehen, ob es um einen induktiven oder um einen Hall-Sensor handelt. Letzterer darf auf keinen Fall mit einem Ohmmeter geprüft werden – dieser kann die Elektronik des Hallgebers zerstören! Besitzt der Sensor drei Anschlüsse, kann man davon ausgehen, dass es sich um einen Hallgeber handelt. Doch Vorsicht: selbst bei zweipoligen Steckern können Sie keine hundertprozentigen Schlüsse auf die Art des Sensors ziehen.
Strommessung mittels Hallgeber
Die Nützlichkeit von Hall-Sensoren erschöpft sich noch lange nicht am Erkennen von Objekten! Denn der Hall-Effekt kommt, wie wir festgestellt haben, durch die Beziehung zwischen Magnetfeld und elektrischen Strom zustande. Um Hall-Effekt-Sensoren für die Strommessung zu verwenden, muss man dieses Prinzip also einfach nur umkehren, also indem man das vom Stromleiter ausgehende Magnetfeld misst.
Stromsensoren dienen zur Überwachung des Gerätestatus, zur Erkennung potenzieller Abweichungen und zur Gewährleistung der Verwendungssicherheit von Geräten. Während in der Vergangenheit oft Druckschalter, optische Sensoren und Stillstands-Wächter zur Überwachung von Geräten eingesetzt wurden, kann die Messung des Stromeingangs einen genaueren Einblick in die Geräteleistung bieten.
Die Verwendung eines digitalen oder linearen Hall-Effekt-Sensors zur Strommessung ist ein effizienter Ansatz, da diese Geräte auf dem Prinzip, dass für einen bestimmten Stromfluss ein proportionales Magnetfeld erzeugt wird, basieren.
Zunächst besteht der digitale Hall-Effekt-Sensor aus drei Hauptkomponenten: dem Kern, dem Hall-Effekt-Gerät und dem Signalaufbereitungsschaltkreis. Wenn der Sensor eingeschaltet und einem Magnetfeld des Kerns ausgesetzt wird, erzeugt er einen Potenzialunterschied (oder eine Spannung), der gemessen und dann weiter zu Prozesspegelsignalen verstärkt werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von Hall-Effekt-Sensoren für die Strommessung besteht darin, dass sie vollständig von der überwachten Spannung isoliert sind und somit eine sichere Möglichkeit zur Prüfung von Geräten ohne Einstecken bieten. Die Messungen sind außerdem präzise und wiederholbar bei Gleich- und Wechselstrom, wodurch digitale Hall-Effekt-Sensoren eine ausgezeichnete Wahl für die Strommessung sind.
Ratiometrische Hall-Effekt-Sensoren
Eine Alternative zu dem oben erläuterten Digitalgerät ist der ratiometrische Hall-Effekt-Sensor. Die Funktionsweise dieses Sensortyps basiert auf den magnetischen Polaritäten, wobei die Spannung zum Südpol des Magneten zunimmt und zum Nordpol abnimmt. Statt zwischen Aus- und Ein-Ausgängen zu wechseln, wird die analoge Spannung proportional zur Stärke des Magnetfelds und der magnetischen Polarität gemessen.
Genau wie digitale Hall-Effekt-Sensoren können ratiometrische Geräte verwendet werden, um den Strom durch ein Kabel zu messen. Je stärker der Strom, desto stärker das Magnetfeld, und somit wird eine höhere Ausgangsspannung gemessen. Beide Ansätze bieten eine effiziente Möglichkeit zur Strommessung und zum Prüfen der Leistungsfähigkeit von Elektrogeräten.
Von der Strommessung über Drucksensoren und Flüssigkeitsdurchflusssensoren bis hin zur Objekterkennung kommen diese vielseitig einsetzbaren Hall-Effekt-Sensoren und -Schalter in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz und sind ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher Elektrogeräte.
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