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Zuverlässig und präzise

Magnetischer Hall-Encoder für verbesserte Positionserfassung

27. Mai 2011, 11:01 Uhr | Von Andreas Pfingstl

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Eingeschränkte Einsatzmöglichkeiten für bislang verwendete Technologien

Da Staub, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen in Fahrzeugen zur Tagesordnung gehören, müssen die empfindlichen Teile des Sensors dicht verkapselt sein. Dies erhöht die Herstellkosten und bringt unerwünschte Risiken ins Spiel, die den Hersteller dazu zwingen, die Wahrscheinlichkeit eines Dichtungsversagens mit einzuplanen.

Die Anbieter von Fahrzeug-Subsystemen haben daher mit kontaktlosen Sensortechnologien experimentiert, zu denen auch optische Encoder zählen. Der Einfluss mechanischer Abnutzung kann bei derartigen Systemen praktisch vernachlässigt werden. Da sie aber dennoch dem Risiko der Verunreinigung unterliegen, ist in vielen Automotive-Anwendungen eine komplette Abdichtung des optischen Elements mit den oben beschriebenen Nachteilen der Verkapselung notwendig. Optische Systeme sind zudem für kritische Sicherheitssysteme ungeeignet, da sie bei hoher Feuchtigkeit nicht eingesetzt werden können und mit dem Problem der beschränkten Lebensdauer von Infrarot-LEDs konfrontiert sind.

Nichtsdestotrotz sind optische Encoder heute im Markt weit verbreitet und dominieren den Bereich der hochauflösenden Linear- und Drehwinkelpositionsbestimmung mit Systemen, die eine Auflösung von 14 bit (16.384 Schritte je 0,022° pro Umdrehung) oder mehr ermöglichen.

Automotive-Entwickler suchen daher nach einer Positionsbestimmungstechnologie, die die Geschwindigkeit und Präzision optischer Encoder bietet und zugleich äußerst zuverlässig und vollständig unempfindlich gegenüber Verunreinigungen ist. Hochgenaue induktive Drehwinkelsensoren (Resolver) werden in industriellen Anwendungen eingesetzt, ihre hohen Kosten verhindern jedoch den verbreiteten Einsatz in Fahrzeugen. Magnetoresistive Sensoren wurden als Lösung für Automotive-Anwendungen angepriesen, ihre Sensoren können jedoch durch magnetische Streufelder beeinflusst werden, zudem ist die Integration von Sensorelementen und Signalkonditionierungsschaltkreisen auf einem Chip kompliziert und teuer.

Magnetische Encoder, die bislang als diskrete Kombination von magnetischem Drehwinkelgeber und magnetischem Linear-Encoder verfügbar waren, haben sich dagegen als die beste Lösung für die anspruchsvollen Anforderungen in automobilen Umgebungen erwiesen. Diese Bausteine kombinieren eine Anordnung von vier oder mehr Hall-Sensoren mit Schaltungen zur Signalkonditionierung und -verarbeitung auf einem Chip. Einfache Hall-Elemente werden bereits seit Jahrzehnten als kontaktlose, von einem Magnetfeld gesteuerte Schalter verwendet. Die Integration der Hall-Sensoren in Standard-CMOS-Blöcke war jedoch der entscheidende Schritt, der einen umfassenden Einsatz dieser Technologie in Positionsmessanwendungen ermöglichte. Ausschlaggebend hierbei ist, dass diese Hall-Sensor-basierten Bausteine in ungünstigen oder schmutzigen Umgebungen ohne die Notwendigkeit einer Kapselung eingesetzt werden können.