Hallsensor

Klappst du deinen Laptop zu, geht der Bildschirm aus – ein Hallsensor hat den kleinen Magneten im Deckel bemerkt. Im Auto zählen Hallsensoren die Umdrehungen von Kurbelwelle und Rädern, im Akkuschrauber messen sie die Stellung des Rotors, im E-Scooter-Gasgriff den Drehwinkel, im Netzteil den Strom. Alle nutzen denselben Effekt: Ein Magnetfeld drückt die Ladungsträger in einem stromdurchflossenen Plättchen zur Seite, und es entsteht eine messbare Spannung. Berührungslos, verschleißfrei und unempfindlich gegen Schmutz – deshalb ist der Hallsensor der meistgebaute Magnetfeldsensor überhaupt.

Aufbau und Funktionsweise

Schickst du einen Strom durch ein dünnes leitendes Plättchen und durchsetzt es senkrecht mit einem Magnetfeld, wirkt auf jede bewegte Ladung die Lorentzkraft. Sie lenkt die Ladungsträger quer zur Stromrichtung ab: Auf der einen Seite des Plättchens sammeln sich Elektronen, auf der anderen fehlen sie. Zwischen den beiden Längskanten entsteht ein elektrisches Feld, das die Ablenkung irgendwann genau ausgleicht. Die Spannung zwischen den Kanten heißt Hallspannung U_H, entdeckt 1879 von Edwin Hall. Wie Magnetfelder und Flussdichte zusammenhängen, erklärt Magnetische Größen; die Kraft auf bewegte Ladungen ist Thema von Elektromagnetismus.

Für die Größe der Spannung gilt:

Darin sind I der Steuerstrom, B die magnetische Flussdichte, d die Dicke des Plättchens, q die Elementarladung und n die Dichte der freien Ladungsträger. Die Spannung wächst also mit Strom und Feld und ist umso größer, je weniger freie Ladungsträger das Material hat – sie müssen dann schneller fließen, um denselben Strom zu tragen, und werden stärker abgelenkt.

Einzelne Hallelemente aus Indiumantimonid oder Galliumarsenid gibt es noch, vor allem für Messsonden. Fast alle Hallsensoren auf Platinen sind heute aber Hall-ICs aus Silizium: Das Hallelement sitzt zusammen mit Stromquelle, Verstärker, Temperaturkompensation und Ausgangsstufe auf einem Chip. Ein eingebautes Umschaltverfahren (Chopper) unterdrückt dabei den Offset des Elements.

Schaltzeichen

Das einzelne Hallelement wird als Rechteck mit vier Anschlüssen gezeichnet, zwei für den Steuerstrom und zwei für die Hallspannung. Hall-ICs erscheinen im Schaltplan als gewöhnliches IC-Rechteck mit VCC, GND und OUT, oft mit einem kleinen „H“ oder Magnetsymbol. Mehr dazu unter Schaltzeichen.

Arten und Kennwerte

Bei Schaltern beschreiben zwei Schwellen das Verhalten: Bei der Einschaltflussdichte B_OP schaltet der Ausgang, bei der kleineren Ausschaltflussdichte B_RP schaltet er zurück. Der Abstand dazwischen ist die Hysterese; sie verhindert, dass der Ausgang flattert, wenn der Magnet genau an der Schwelle steht. Typische Werte liegen bei wenigen Millitesla.

Lineare Sensoren arbeiten meist ratiometrisch: Ohne Feld liefern sie die halbe Versorgungsspannung, mit Feld mehr oder weniger, und die Empfindlichkeit skaliert mit der Versorgung. Ein Beispiel ist die Reihe DRV5055 von TI, bei 5 V in vier Empfindlichkeiten von 12,5 bis 100 mV/mT erhältlich.

Die Auflösung am ADC kannst du mit dem ADC-Rechner abschätzen.

Weitere wichtige Kennwerte sind die Stromaufnahme (einige Milliampere bei Dauerbetrieb, unter 1 µA bei getakteten Low-Power-Typen für Batteriegeräte), die Bandbreite (für schnelle Drehzahlen) und der Temperaturgang der Empfindlichkeit.

Bauformen

• TO-92-ähnliche Flachgehäuse mit drei Beinen (SIP-3): Das Feld muss senkrecht durch die flache, beschriftete Seite gehen.
• SOT-23 und kleinere SMD-Gehäuse: Das Feld wirkt senkrecht zur Platine.
• SOIC-8 mit Strombügel: Stromsensoren wie der ACS712 führen den zu messenden Strom durch einen Kupferbügel im Gehäuse. Die Ausgangsseite ist davon galvanisch getrennt.
• Ringkern-Stromwandler mit Hallelement im Luftspalt für hohe Ströme bis zu einigen hundert Ampere.

Typische Schaltungen und Anwendungen

Die meisten Hall-Schalter haben einen Open-Drain-Ausgang, der bei Feld nach Masse zieht. Du brauchst also einen Pull-up-Widerstand, zum Beispiel 10 kΩ zur Versorgung des Mikrocontrollers – oft genügt der interne Pull-up des Pins. Ein Keramikkondensator von 100 nF direkt an VCC und GND des Sensors ist Pflicht, weil Hall-ICs mit Chopper intern takten.

• Drehzahl: Ein Latch vor einem Polrad mit abwechselnden Nord- und Südpolen liefert je Polpaar einen Impuls.
• Motorkommutierung: In bürstenlosen Motoren melden drei Hallsensoren die Rotorstellung an den Motorregler – im Unterschied zum Gleichstrommotor mit Bürsten.
• Strommessung: Ein Hall-Stromsensor misst Gleich- und Wechselstrom ohne elektrische Verbindung zum Laststromkreis. Bei kleinen Strömen ist ein Shunt-Widerstand genauer, bei hohen Strömen und Potentialtrennung gewinnt der Hallsensor.
• Endlagen und Deckel: Ein Schalter erkennt einen Magneten wie ein Reedkontakt, aber ohne bewegte Teile und ohne Prellen.

Auswahl und Praxistipps

Kläre zuerst, ob du schalten oder messen willst, dann die Art des Magneten und den Abstand. Das Magnetfeld fällt mit der Entfernung sehr schnell ab, bei kleinen Magneten etwa mit der dritten Potenz: Doppelter Abstand bedeutet grob ein Achtel des Felds. Probiere deshalb Magnet und Abstand im Aufbau aus, bevor du das Gehäuse festlegst.

Häufige Fehler:

• Falscher Pol: Ein unipolarer Schalter reagiert nur auf einen Pol. Dreh den Magneten um oder nimm einen omnipolaren Typ.
• Sensor falsch ausgerichtet: Das Feld muss senkrecht durch die beschriftete Fläche – bei SMD senkrecht zur Platine. Ein seitlich liegender Magnet schaltet nicht.
• Latch statt Schalter: Ein Latch bleibt eingeschaltet, wenn der Magnet weggeht, bis ein Nordpol kommt. Für Deckelerkennung ist das falsch.
• Pull-up vergessen: Ohne Pull-up schwebt der Open-Drain-Ausgang, der Eingang liest Zufall.
• Eisen in der Nähe: Schrauben, Bleche oder ein Lautsprecher verbiegen das Feld. Ein Weicheisenstück hinter dem Sensor kann das Feld aber auch absichtlich bündeln.

Selbsttest