Hall-Sensoren – Grundlagen und Auswahlkriterien
Hall-Sensoren sind unauffällige Bauteile: ein Dreibeiner im TO-92-Gehäuse oder ein winziges SMD-Teil, das an einer Welle sitzt. Die Auswahl des richtigen Typs ist trotzdem nicht trivial, weil der Sensor und die Magnetanordnung zusammen ein System bilden. Ein Sensor, der in der einen Anordnung perfekt arbeitet, funktioniert in der anderen gar nicht.
Der Hall-Effekt in einem Absatz
Fließt Strom durch eine dünne Halbleiterplatte und steht ein Magnetfeld senkrecht dazu, werden die Ladungsträger seitlich abgelenkt. Quer zur Stromrichtung entsteht eine Spannung, die Hall-Spannung. Sie ist proportional zur magnetischen Flussdichte durch die Platte.
Alles Weitere ist Signalverarbeitung: Verstärkung, Vergleich mit einer Schwelle, Kompensation von Störeinflüssen. Genau darin unterscheiden sich die Sensorfamilien.
Vier Bauformen der Auswertung
Unipolarer Schalter. Ein einzelner Pol schaltet den Ausgang oberhalb einer Schwelle. Fällt das Feld unter die untere Schwelle, schaltet er zurück. Der Abstand beider Schwellen ist die Hysterese.
Bipolarer Schalter. Der eine Pol schaltet ein, der andere aus. Das ist die typische Auswertung am rotierenden Multipolring, weil dort ohnehin abwechselnd Nord- und Südpol vorbeilaufen.
Differenzieller Schalter. Zwei Hall-Platten in definiertem Abstand messen an zwei Punkten, ausgewertet wird die Differenz. Homogene Störfelder heben sich heraus. Voraussetzung ist, dass die Anordnung überhaupt eine räumliche Felddifferenz erzeugt. Die Reihe HAL300 und HAL320 arbeitet nach diesem Prinzip, mit 2,05 beziehungsweise 2,25 mm Plattenabstand.
Linearer Sensor. Die Ausgangsspannung folgt der Flussdichte statt einer Schwelle. Damit werden Ströme, Wege und Winkel messbar. Beispiel ist die Reihe HAL400 und HAL401 mit linearen Bereichen von 75 beziehungsweise 50 mT.
Warum Offset-Kompensation entscheidend ist
Ein Halbleiterchip sitzt in einem Kunststoffgehäuse. Kunststoff und Silizium dehnen sich unterschiedlich. Über den Temperaturbereich entsteht mechanische Spannung im Chip, und diese Spannung erzeugt eine Hall-Spannung, die kein Magnetfeld verursacht hat. Das ist der magnetische Offset.
Ohne Gegenmaßnahme wandern die Schaltpunkte mit der Temperatur und mit der Versorgungsspannung. In einem Motorraum mit einem Temperaturbereich von minus 40 bis plus 150 Grad Celsius ist das nicht tolerierbar.
Zwei Verfahren sind in der HAL-Reihe umgesetzt:
- Aktive Offset-Kompensation, etwa bei HAL300 und HAL320. Ergebnis sind konstante magnetische Kennwerte über Versorgungsspannung und Temperatur.
- Gechoppte beziehungsweise schaltende Offset-Kompensation, etwa bei HAL400 mit 147 kHz und bei HAL556 und HAL566 über einen Zweiphasentakt. Der Messpfad wird periodisch umgeschaltet und gemittelt, der Offset fällt heraus.
Der Preis des zweiten Verfahrens ist ein Zeitversatz. Beim Zweidraht-Schalter kann zwischen dem Überschreiten der Schwelle und dem Umschalten des Ausgangs eine variable Zeit zwischen null und einer Oszillatorperiode vergehen. Bei einer Zündzeitpunktmessung gehört das ins Fehlerbudget.
Die Magnetanordnung entscheidet
Drei Anordnungen sind verbreitet:
Head-on. Ein Magnet nähert sich frontal. Feldstärke steigt mit abnehmendem Abstand. Einfach, aber empfindlich gegen Toleranzen im Abstand.
Multipolring. Ein magnetisierter Ring mit abwechselnden Polen rotiert vor dem Sensor. Das ist die Anordnung, für die differenzielle Schalter ausgelegt sind, weil sie eine saubere räumliche Felddifferenz liefert.
Back-biased. Ein Magnet sitzt hinter dem Sensor und liefert ein Grundfeld. Passiert ein Eisenzahn den Sensor, verzerrt er dieses Feld. So lassen sich unmagnetisierte Zahnräder erfassen. Für diese Anordnung empfiehlt das Datenblatt den HAL320 mit dem größeren Plattenabstand.
Vier Fragen für die Auswahl
Auswahl-Checkliste
- Was soll herauskommen? Ein Zustand (Schalter) oder ein Messwert (Linearsensor)?
- Wie sieht die Magnetanordnung aus? Multipolring, Einzelmagnet oder back-biased mit Eisenzahn?
- Welcher Versorgungsbereich und welche Temperatur? Die HAL-Schalter decken 4 bis 24 V bei bis zu 150 Grad Celsius ab, die linearen Typen nur 4,8 bis 12 V.
- Wie viele Leitungen stehen zur Verfügung? Bei zweien führt der Weg zum Stromausgang.
Kennwerte, die man im Datenblatt sucht
Bei Schaltern: Ein- und Ausschaltpunkt in Millitesla, Hysterese, deren Drift über Temperatur, maximale Feldfrequenz. HAL556 und HAL566 arbeiten beispielsweise von Gleichfeld bis 10 kHz.
Bei Linearsensoren: Empfindlichkeit in Millivolt pro Millitesla, linearer Bereich, Offsetspannung und ihre Drift, Rauschen.
In beiden Fällen: Versorgungsbereich, Temperaturbereich, Ausgangsart, Schutzeinrichtungen und Gehäuse. Worauf man bei der Fassung des Datenblatts achten sollte, steht unter Datenblätter richtig lesen.