Alles, was Sie über Hallgeber wissen müssen

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.

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.

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.

Die unterschiedlichen magnetischen Bewegungsabläufe bieten verschiedene Einsatzmöglichkeiten für Hall-Effekt-Sensoren. Die am weitesten verbreitete Anwendung stellt das Messen von Position und Nähe oder einfach nur Vorhandensein von Objekten dar. Typische Anwendungsbeispiele in der Industrie und im Endverbraucherbereich sind:

• 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.

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.