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Fremdfeldgeschützte Hall-Sensoren für Schalter und Taster

| Redakteur: Kristin Rinortner

Wir stellen den Aufbau und Wirkprinzip eines neuartigen Hall-Sensors vor, der vor Störfeldern geschützt ist. Aufgrund des Wirkprinzips müssen die Sensoren nicht mehr zusätzlich geschirmt werden.

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Hall-Sensoren: Mit einem neu entwickelten Schaltkonzept lässt sich die verschleißarme Sensor-Schaltung jetzt fremdfeldgesichert in so gut wie alle marktgängigen Schalter- und Tasterformate integrieren.
Hall-Sensoren: Mit einem neu entwickelten Schaltkonzept lässt sich die verschleißarme Sensor-Schaltung jetzt fremdfeldgesichert in so gut wie alle marktgängigen Schalter- und Tasterformate integrieren.
(Bild: griessbach )

Mit einem neu entwickelten Schaltkonzept lassen sich Hall-Sensoren fremdfeldgesichert in so gut wie alle marktgängigen Schalter- und Tasterformate integrieren. Aufgrund der neuartigen Sensor- und Magnetanordnungen ist das Schaltsignal auch ohne zusätzliche Schirmung oder mehrdimensionale Sensorik sicher vor magnetischen Störfeldern geschützt. Im Folgenden stellen wir Aufbau und Funktionsweise des neuen Wirkprinzips vor.

Das zum Patent eingereichte Hall-Schaltkonzept des Bedientechnik-Spezialisten Griessbach erlaubt die Adaption an verschiedene, zur Maschinenbedienung eingesetzte Schaltkomponenten. Für viele Anwendungen, bei denen heute noch elektromechanische Schalter verbaut werden, steht damit eine sehr zuverlässige, verschleißarme Alternative zur Verfügung.

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Hierzu lässt sich das fremdfeldgeschützte Schaltprinzip den spezifischen Erfordernissen einzelner Schalterbaugruppen entsprechend auslegen. Damit bietet sich für Taster- und Schalter-Hersteller die Möglichkeit, das Einsatzgebiet der Hall-Technologie zu erweitern und auch sehr klein dimensionierte Formate zu realisieren.

Vorteile der Hall-Sensorik als verschleißfreies Schaltprinzip

Als kontaktloses Schaltprinzip unterliegt die Hall-Sensorik im Unterschied zu elektromechanischen Schaltern nur minimalem mechanischen Verschleiß und ist zudem resistent gegen Vibrationen, Temperaturschwankungen, Schmutz und Feuchtigkeit.

Ein Schwachpunkt herkömmlicher Hall-Schaltungen besteht allerdings in ihrer Störanfälligkeit gegenüber magnetischen Fremdfeldern. Wo das Bediengehäuse keine ausreichende Schirmung bietet, sind zusätzliche konstruktive Vorkehrungen erforderlich, um das Risiko von Fehlschaltungen auszuschließen.

Eine gesonderte Gehäuseschirmung oder integrierte 3D- bzw. Fremdfeldsensorik mit dazugehöriger Software machen den Einsatz der Hall-Sensorik jedoch vergleichsweise aufwändig und kostenintensiv. Das von Griessbach entwickelte Wirkprinzip erspart zusätzliche Schutzmaßnahmen und lässt sich daher auch in Kleinschaltern mit kurzem Betätigungsweg von 1 mm oder für Tasterdurchmesser ab 8 mm zum Joystick-Einbau einsetzen. Es eignet sich für alle Betätigungsarten vom Drucktaster über Dreh-, Wahl- und Schiebeschalter bis zum in der Fahrzeugbedienung gebräuchlichen Wippschalter. Sämtliche Schaltervarianten können diagnosefähig und/oder zweikanalig ausgelegt werden und ermöglichen hohe Schaltspielzahlen.

Differenzierte Signalerfassung durch neuartige Konstruktion

Die neuartige Lösung basiert auf einer Konstruktion, mit der Schaltzustand und Auswertung an die magnetische Felddifferenz gekoppelt werden. Hierzu werden mittels im Stößel verbauter Magnete gegenläufige magnetische Feldverläufe erzeugt. Ihre jeweilige Polarität wird von gegenüberliegenden Hall-Sensoren mit Sättigungsgrenzen im Bereich von 100 bis 300 mT detektiert.

Durch die bei Betätigung des Tasters oder Schalters erfolgende magnetische Feldänderung minimiert oder invertiert sich – abhängig von der spezifischen Auslegung des Schaltprinzips – die von den Sensoren generierte Ausgangsspannung.

Über die Auswertung per Komparator oder Mikrocontroller ist sichergestellt, dass ein Schaltsignal ausschließlich dann ausgelöst wird, wenn das Differenzsignal seine Polarität ändert bzw. vorgegebene Schaltpunkte über- oder unterschritten werden (Hysterese). Ein Wechsel des Schaltzustands kann somit nur durch Betätigung und nicht durch homogene äußere Störeinflüsse erfolgen, da bei Erreichen der Endlage das positive oder negative Differenzsignal betragsmäßig konstant bleibt.

Geschützt vor inhomogenen Störeinflüssen

Je nach Schaltaufgabe und Tasterformat lässt sich die Anordnung von Sensoren und Magneten variabel gestalten, um beispielsweise besonders kleine Bauhöhen oder eine redundante Auswertung der Sensorschaltung zu realisieren.

Für eine optimale Absicherung kann das Differenzsignal verdoppelt werden. Hierzu wird die Ausrichtung des Feldes – gegenüber einem Aufbau mit parallel zu den Sensoren verlaufender magnetischer Achse – um 90° gedreht, so dass die Achsen senkrecht zu den Detektionsflächen stehen.

Fazit: Mit dem neuen Schaltkonzept lassen sich laut Hersteller auch durch inhomogene Störfelder verursachte Fehlschaltungen nahezu komplett unterbinden. In Testreihen mit verschiedenen Prototypen konnten selbst starke Neodym-Magneten mit Flussdichten von 0,6 T, die unmittelbar am Schaltergehäuse wirken, den Schaltzustand nicht beeinflussen.

Die vom Oszilloskop angezeigten Feldveränderungen führen lediglich zu einer Verschiebung oder geringen Modifikation des Differenzsignals. Somit ist das Signal auch in diesen Fällen vor einem durch Polaritätsumkehr verursachten Wechsel des Schaltzustands geschützt.

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