Magnetfeldsensor

Anwendungsspezifische Hall-Effekt-ICs in der Weg- und Winkelmessung, Antriebstechnik, Strommessung

22.04.2010 | Autor / Redakteur: Andreas Ring* / Gerd Kucera

Technologische Fortschritte etwa durch vertikale Hall-Platten erlauben die Herstellung von Direktwinkel-Sensoren in 2-D und 3-D
Technologische Fortschritte etwa durch vertikale Hall-Platten erlauben die Herstellung von Direktwinkel-Sensoren in 2-D und 3-D

Was beim linearen Hall-Effekt-Sensor anders ist

Die linearen Hall-Sensor-Familien HAL 182x und HAL 8xy unterscheiden sich grundlegend von den digitalen Hall-Schaltern. Während der Ausgang eines Hall-Schalters nur zwei Schaltzustände kennt (Low oder High), gibt ein linearer Sensor ein Signal proportional zur Magnetfeldstärke aus.

Lineare Hall-Effektsensoren liefern ein zur Magnetfeldstärke proportionales Signal aus, das mit LIN- oder SENT-Protokoll auch busfähig ist
Lineare Hall-Effektsensoren liefern ein zur Magnetfeldstärke proportionales Signal aus, das mit LIN- oder SENT-Protokoll auch busfähig ist

Dieses Ausgangssignal kann in Form einer analogen Spannung, als pulsweitenmoduliertes Signal (HAL 2850) oder als busfähiges Protokoll LIN; Local Interconnect Network (HAL 2810) bzw. SENT; Single Edge Nibble Transmission (HAL 2830) ausgegeben werden. Die linearen Hall-Sensoren wurden für hochpräzise Weg- bzw. Drehwinkelmessungen entwickelt, mit denen man Auflösungen im Bereich von einem Tausendstel Millimeter bzw. 0,05° bei einem Winkel von 90° erreichen kann.

Durchgesetzt haben sich lineare Hall-Sensoren mit Programmiermöglichkeit, welche die Kalibrierung der Applikation im Kundensystem am Bandende der Produktion erlaubt. Dies ermöglicht die Einstellung der maximalen Messgenauigkeit sowie die Eliminierung fertigungsbedingter mechanischer Toleranzen. Die bei der Kalibrierung gewonnenen Parameter (etwa magnetische Sensitivität oder magnetischer Offset sowie die Temperaturkoeffizienten und weitere Kenngrößen) werden im integrierten EEPROM abgelegt. Für eine komfortable Bedienung stellt Micronas seinen Kunden ein Programmierboard zur Verfügung, welches mittels grafischer Oberfläche diese Parameter zugänglich macht.

Der Nutzen linearer Hall-Sensoren

Im Bereich der weißen Ware werden lineare Hall-Sensoren beispielsweise in Waschmaschinen eingesetzt, um die Unwucht einer Waschtrommel mittels Linearwegmessung in den aktiven Stoßdämpfern durch die Sensoren zu erkennen und zu regeln. Die Überwachung der Waschtrommel auf Blockade oder der Drehwahlschalter an den Bedieneinheiten sind weitere Einsatzgebiete für Hall-Sensoren. Hierbei profitiert der Anwender von der Unempfindlichkeit dieser Bauelemente gegenüber Verschmutzung durch Staub oder Waschmittelrückstände sowie der Temperaturstabilität.

In weißer Ware erkennen lineare Hall-Sensoren etwa die Unwucht einer Waschtrommel, um sie auszuregeln
In weißer Ware erkennen lineare Hall-Sensoren etwa die Unwucht einer Waschtrommel, um sie auszuregeln

Im industriellen Bereich eigenen sich diese Sensoren vor allem zur Regelung von Klappenstellungen, zur Dosierung von Durchflussmengen oder zur Niveauregulierung von Flüssigkeiten. Drehwinkel von mechanischen Elementen, wie etwa der Neigungswinkel einer Staplergabel oder die Anzahl von Beilagscheiben auf einer Schraube, sind mit einem linearen Hall-Sensor zuverlässig erkennbar.

Innovative Direktwinkel-Sensoren in 2-D und 3-D

Durch wesentliche technologische Fortschritte, wie den vertikalen Hall-Platten, sind mittlerweile integrierte 2-D- und 3-D-Sensoren herstellbar. Magnetfelder, deren Feldlinien parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet sind, lassen sich mit ihnen direkt messen. Durch diese Entwicklung sind heute Magnetfelder vollständig mehrdimensional am Ort des Sensors erfassbar.

Das Erkennen von Magnetfeldern durch einen 3-D-Hall-Sensor ermöglicht hochgenaue und robuste Positionserfassungssysteme
Das Erkennen von Magnetfeldern durch einen 3-D-Hall-Sensor ermöglicht hochgenaue und robuste Positionserfassungssysteme

Damit werden innovative Anwendungen wie die Erfassung mehrerer Achsen oder hochgenaue, robuste Positionserfassungssysteme möglich. Das Magnetkreisdesign bzw. der mechanische Aufbau vereinfacht sich so elementar. Während bei der Erfassung einer Winkeländerung mit linearen Hall-Sensoren der Luftspalt zwischen Magnet und Sensor die Genauigkeit stark beeinflusst, sind die Direktwinkelsensoren diesbezüglich nahezu unempfindlich. Sie reagieren lediglich auf die Richtung des magnetischen Feldvektors und erlauben es, eine Drehung um 360° präzise aufzulösen. Die Programmierung und Kalibrierung der Sensoren bleibt ebenso einfach, wie bei den linearen Hall-Sensoren. Durch die Kombination einer herkömmlichen und vertikalen Hall-Platten erhält man einen Sensor, der ein Magnetfeld in drei Raumrichtungen auflösen kann. Das analoge Ausgangssignal ist dabei proportional zur Winkelposition. Direktwinkelsensoren kommen beispielsweise in Inkrementalgebern, in Klappenregelungen oder bei der Lenkwinkel-erfassung zum Einsatz.

*Andreas Ring ist Applikationsingenieur für Sensorik bei Micronas, Freiburg.

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