Hall-Prinzip

Einsatzmöglichkeiten im Kfz

Ein elektrisch leitender flacher Körper ist an eine Spannungsquelle angeschlossen, so dass z.B. ein Strom von 2A durch ihn hindurch fließt. Da der Körper homogen ist, wird sich der Strom in ihm ziemlich gleichmäßig und symmetrisch über die gesamte Querschnittsfläche verteilen.
Dies soll im Bild rechts durch die dünn gezeichneten schwarzen Stromlinien dargestellt werden.

Macht man dasselbe Experiment jedoch in einem Magnetfeld (B), so stellt man fest, dass an den Körperkanten, die quer zur Stromrichtung und quer zum Magnetfeld ausgerichtet sind, eine Spannung anliegt, die vorher nicht vorhanden war.

Diese Beobachtung lässt sich sehr leicht mit der Lorentz-Kraft erklären:

Elektrische Ladungen, die sich nicht parallel zu einem Magnetfeld bewegen, werden aus ihrer Bahn abgelenkt.

In diesem Fall werden die Elektronen zum großen Teil zur vorderen Körperfläche hin gezogen, während an der hinteren Körperfläche fast keine Elektronen mehr vorbei fließen. So entsteht also vorne ein Elektronenüberschuss und hinten ein Elektronenmangel, was sich als elektrische Spannung bemerkbar macht.

Die so erzeugte Hallspannung lässt sich nach folgender Formel berechnen:

U_H = R_H * I_v * B / d

mit

U_HHallspannung

R_HHallkonstante

I_HVersorgungsstrom des Hallsensors

B magnetische Flussdichte

d Dicke des Körpers

Theoretisch zeigt sich jeder elektrische Leiter dieses Phänomen, jedoch sind die Hallkonstanten für Metalle so klein, dass diese Materialien nicht zur Nutzung in Sensoren in Frage kommen. Halbleiter haben wesentlich günstigere Eigenschaften, wie die Tabelle für einige Beispiele zeigt:

Material	R_H (m³/As)
Silber	0,84 * 10^-10
Kupfer	0,5 * 10^-10
Wismut	6,3 * 10^-7
Indiumantimonid	2,4 * 10^-4
Indiumarsenid	1,2 * 10^-4

Quellen:
Dans-Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker
Bosch, Mikroelektronik im Kraftfahrzeug

In Schaltplänen wird der Hallsensor als Rechteck mit innenliegendem Andreaskreuz und je ein Anschluss an den Seiten (Versorgungsstrom, Hallspannung) dargestellt.

Tatsächlich jedoch wird die Anzahl der Anschlüsse auf drei reduziert, indem man die Versorgungsspannung und die Signalspannung an eine gemeinsame Masse legt.

Einsatzmöglichkeiten im Kfz

Die vermutlich älteste Anwendung des Hallsensors im Kfz ist der Einsatz in der Transistorzündanlage TSZ-h. Der Sensor ist als Hallschranke auf einer Grundplatte montiert, die um einen Winkel von etwa 15° drehbar im Verteilergehäuse sitzt. Diese Hallschranke besteht aus einem Permanentmagnet, dem eigentlichen Hallsensor und einem Hall-IC, der das Sensorsignal bereits für das Steuergerät aufbereitet. Der mit der Verteilerwelle umlaufende Blendenrotor aus Stahlblech gibt mit seinen Lücken das Magnetfeld frei und schattet es mit seinen Blenden ab.

Im Bild links sind deutlich die drei Anschlussleitungen des Hallsensors zu erkennen:
Versorgungsspannung,
Signalleitung,
Masse.

Inzwischen werden Hall-Sensoren häufig auchbei anderen Gelegenheiten eingesetzt, wo man Drehzahlen, Drehrichtungen und Positionen erfassen muss.
Das Beispiel links zeigt einen Getriebedrehzahlfühler von BOSCH.

Im CVT-Getriebe von Audi (Multitronic) überwachen gleich zwei Hallsensoren sowohl die Getriebeeingangsdrehzahl, die Getriebeausgangsdrehzahl, und die Drehrichtung am Getriebeausgang.

Ohne die Drehrichtungsüberwachung könnte man sonst im Rückwärtsgang auch 250km/h schnell fahren. Leider jedoch meldet der Sensor dem Steuergerät, wenn das Fz sich offenbar rückwärts bewegt, worauf das Steuergerät programmgemäß die Geschwindigkeit auf einen etwas niedrigeren Wert begrenzt.

Diesem Schema ist zu entnehmen, dass man mit zwei gegeneinander versetzten Fühlern, die den selben Magnetring abtasten, auch die Drehrichtung festestellen kann. Stellen Sie sich dazu die Signalfolge bei entgegengesetztem Drehsinn vor. Den Unterschied kann auch ein Steuergerät auswerten.

Auch als ABS-Radsensoren werden Hall-Sensoren eingesetzt, wie hier in einem Beispiel von VW.
Allerdings bin ich mir nicht ganz sicher, ob es sich hierbei um einen Hallsensor handelt oder evtl. um eine Feldplatte, die ihren Widerstand abhängig vom Magnetfeld ändert!

Einsatzmöglichkeiten im Kfz

zzzzzz

Seitenende

Vorteile von Hallsensoren gegenüber Induktivgebern:

Hallsensoren liefern ein von der Drehzahl unabhängige Signalspannung, insbesondere können sie auch sehr langsame Drehbewegungen und sogar statische Zustände erfassen.
Hallsensoren liefern von Natur aus bereits ein Rechtecksignal, wie es von Digitalschaltungen in den Steuergeräten direkt auswertbar ist, wogegen Signale von Induktivgebern erst aufbereitet werden müssen.