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Hall-Sensoren für die kontaktlose Positionserfassung

2. Dezember 2022, 14:02 Uhr | Nicole Wörner
Kontaktbasierte Positionserfassungslösungen wie etwa Potenziometer sind verschleißanfällig in Langlebigkeit, Zuverlässigkeit einschränkt. Stattdessen einen Magneten u. einen linearen Halleffekt-Sensor zum kontaktlosen linearen Positionsgeberlösung
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Kontaktbasierte Positionserfassungslösungen wie etwa Potenziometer sind verschleißanfällig – was ihre Langlebigkeit und Zuverlässigkeit einschränkt. Texas Instruments setzt stattdessen auf eine kontaktlose lineare Positionsgeberkombination aus einem Magneten und einen linearen Halleffekt-Sensor.

Von Mekre Mesganaw, Texas Instruments

In vielen Systemen ist es nötig, die mechanische Position linear beweglicher Bauteile in elektronische Signale zu verwandeln, damit die systeminterne Elektronik auf diese Position reagieren kann. Traditionell nutzt man kontaktbasierte mechanische Lösungen wie zum Beispiel Potenziometer, um mechanische Positionen in eine entsprechende Ausgangsspannung umzuwandeln. In einem Akkuschrauber etwa wird mithilfe eines Potenziometers ermittelt, wie weit der Betätigungsknopf eingedrückt wird, um die Drehzahl entsprechend einzustellen. Im Joystick eines Game-Controllers sind es sogar zwei Potenziometer, mit denen der Ausschlag in x- und y-Richtung ermittelt und in die entsprechenden Spannungen für die x- und y-Achse umgewandelt wird.Wegen ihrer kontaktbehafteten Bauweise verschleißen Potenziometer naturgemäß schneller als kontaktlose Alternativen. Die daraus resultierende Verschlechterung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer verschärft sich noch, wenn Vibrationen, Feuchtigkeit, Schmutz oder andere Verunreinigungen als Umgebungseinflüsse auf das Bauteil einwirken.

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TI-Referenzdesign für einen auf dem Halleffekt basierenden Drehzahleinsteller
Bild 1. TI-Referenzdesign für einen auf dem Halleffekt basierenden Drehzahleinsteller
© Texas Instruments

In Bild 1 ist ein Referenzdesign zu sehen, das einen auf dem Halleffekt basierenden Betätigungsknopf zur Drehzahleinstellung implementiert und auf diese Weise veranschaulicht, wie ein Magnet und ein linearer Halleffekt-Sensor als Alternative zu einer kontaktbehafteten Lösung die Lage eines beweglichen Bauteils erfassen können. In diesem Referenzdesign ist der Magnet am Betätigungselement befestigt und bewegt sich folglich zusammen mit diesem. Der stationäre, lineare Halleffekt-Sensor detektiert die wechselnde magnetische Flussdichte durch den sich bewegenden Magneten und verändert sein Ausgangssignal gemäß der Positionsänderung.

Da sich der Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte und Entfernung auf reproduzierbare Weise verändert, ist es möglich, aus der gemessenen magnetischen Flussdichte auf die Distanz zwischen Magnet und Sensor zu schließen und zu berechnen, wie weit der Knopf eingedrückt wurde. Welcher Distanz die vom Halleffekt-Sensor erfasste magnetische Flussdichte entspricht, hängt allerdings von verschiedenen Faktoren ab. Neben den Spezifikationen des Magneten sind dies die relative Ausrichtung von Magnet und Sensor, das Gehäuse und die Entfernung zwischen Magnet und Sensor.

Im Folgenden wird gezeigt, wie diese Parameter beim Design eines kontaktlosen, auf dem Halleffekt basierenden linearen Positionsgebersystems festgelegt werden müssen.

Ausrichtung von Magnet und Sensor

Beim Einsatz eindimensionaler (1D) Halleffekt-Sensoren hängt es teilweise von der Empfindlichkeitsrichtung des Sensors ab, wie der Magnet relativ zum Sensor platziert werden muss. Handelt es sich um einen Out-of-Plane-Sensor, was bei Halleffekt-Sensoren meistens der Fall ist, reagiert der Sensor auf denjenigen Teil des Magnetfelds, der im rechten Winkel zum Chip innerhalb des Gehäuses steht.

Bei oberflächenmontierbaren, eindimensionalen Out-of-Plane-Sensoren wie dem in Bild 2 gezeigten SOT-23-Baustein erfasst der Sensor somit diejenige Komponente des Magnetfelds, die rechtwinklig zur Leiterplatten-Oberfläche ausgerichtet ist.

Von links unten im Uhrzeigersinn: Empfindlichkeitsrichtungen für einen 1D-In-Plane-Sensor im SOT-23-Gehäuse, einen 1D-Out-of-Plane-Sensor im TO-92-Gehäuse, einen 1D-Out-of-Plane-Sensor im SOT-23-Gehäuse und einen 3D-Sensor im SOT-23-Gehäuse
Bild 2. Von links unten im Uhrzeigersinn: Empfindlichkeits- richtungen für einen 1D-In-Plane-Sensor im SOT-23-Gehäuse, einen 1D-Out-of-Plane-Sensor im TO-92-Gehäuse, einen 1D-Out-of-Plane-Sensor im SOT-23-Gehäuse und einen 3D-Sensor im SOT-23-Gehäuse.
© Texas Instruments

Bei Sensoren für Durchsteckmontage wie dem TO-92-Baustein oben links in Bild 2 spricht der Halleffekt-Sensor auf diejenige Komponente des magnetischen Feldes an, die rechtwinklig zur markierten Seite des Gehäuses verläuft. Montiert man einen Sensor dieser Bauart also so, dass er perfekt vertikal ausgerichtet ist, reagiert er auf die parallel zur Leiterplatten-Oberfläche verlaufende Magnetfeld-Komponente.

In-Plane-Sensoren sprechen im Gegensatz dazu auf Magnet-Komponenten an, die koplanar zum Chip des Bausteins sind. Da die Empfindlichkeitsrichtung beim In-Plane-Sensor im SOT-23-Gehäuse identisch mit der des Out-of-Plane-Sensors in TO-92-Bauweise ist (siehe Bild 2), können beide Bausteine gegeneinander ausgetauscht werden, ohne dass sich die Empfindlichkeitsrichtung ändert.

Um mehr Flexibilität bei der Platzierung des Magneten zu haben, kann auch auf einen linearen 3D-Halleffekt-Sensor wie den TMAG5170 oder den TMAG5273 zurückgegriffen werden (unten rechts in Bild 2). Damit eine dreidimensionale Erfassung möglich ist, bestehen derartige Bauelemente oftmals aus zwei In-Plane-Sensoren und einem Out-of-Plane-Sensor. Da sie nicht auf eine einzige Richtung beschränkt sind, stellen 3D-Sensoren eindeutig die beste Option zum Erfassen komplexer Magnetfelder dar.

Anordnungsvarianten von Magnet und Sensor: Head-on- bzw. Frontal-Konfiguration (a) und Slide-by-Konfiguration (b)
Bild 3. Anordnungsvarianten von Magnet und Sensor: Head-on- bzw. Frontal-Konfiguration (a) und Slide-by-Konfiguration (b).
© Texas Instruments

Eine gängige Konfiguration von Magnet und Sensor ist die in Bild 3a gezeigte Head-on- oder Frontalkonfiguration, bei der Bewegungs- und Empfindlichkeitsachse identisch sind. Der Out-of-Plane-Sensor im SOT-23-Gehäuse reagiert auf Magnetfeldkomponenten entlang der z-Achse. Der Magnet in dieser Konfiguration bewegt sich entlang der z-Achse und ist auch entlang der z-Achse polarisiert, sodass der Sensor entweder ein positives oder ein negatives Feld registriert, wie in Bild 3a zu erkennen ist.

Bild 3b zeigt dagegen die Slide-by-Konfiguration, bei der der Halleffekt-Sensor die entlang der z-Achse verlaufende Magnetfeld-Komponente erfasst, während sich der Magnet entlang der y-Achse bewegt. Der Sensor ist also versetzt angeordnet, aber nicht auf der Bewegungsbahn. In dieser Konfiguration erfasst der Sensor sowohl positive als auch negative Felder, wenn der Nord- und der Südpol des Magneten den Sensor passieren. Siehe hierzu das Diagramm der magnetischen Flussdichte in Bild 3b.

Bei der Auswahl des Ausgangs eines Halleffekt-Sensors muss möglicherweise auch das Vorzeichen des angelegten Magnetfelds beachtet werden. Schließlich sind positive und negative Felder bei unterschiedlichen Bausteinen verschieden definiert.
 

 Beispiele für die Polarität eines Out-of-Plane-Sensors im SOT-23-Gehäuse
Bild 4. Beispiele für die Polarität eines Out-of-Plane-Sensors im SOT-23-Gehäuse.
© Texas Instruments

Dazu sei als Beispiel angenommen, dass ein positives Feld bei dem in Bild 4 gezeigten, oberflächenmontierbaren Out-of-Plane-Sensor als eines definiert ist, bei dem der magnetische Fluss von der Unterseite zur Oberseite des Bausteins verläuft (ein negatives Feld entsprechend umgekehrt). Ein positives Feld liegt vor, wenn sich der Südpol eines Magneten direkt oberhalb des Sensors oder der Nordpol unmittelbar unterhalb des Sensors befindet. Die Polarität des Ausgangs muss deshalb so gewählt werden, dass das vom Magneten ausgehende Feld korrekt erfasst wird.

Bipolare lineare Halleffekt-Sensoren wie der DRV5055 können sowohl positive als auch negative magnetische Felder erfassen, während unipolare Sensoren wie der DRV5056 nur entweder positive oder negative Felder detektieren. Unipolare Sensoren weisen deshalb möglicherweise eine höhere Auflösung auf als entsprechende bi- polare Bausteine. Da aber bipolare Sensoren mit beiden Polen eines Magneten arbeiten können, muss bei der Platzierung des Magneten nicht darauf geachtet werden, welches sein Nord- und welches sein Südpol ist.


  1. Hall-Sensoren für die kontaktlose Positionserfassung
  2. Auswirkungen der Gehäusebauart

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