Hall-Sensor: Funktion, Aufbau und Anwendungen einfach erklärt

Was ist ein Hall-Sensor und wie funktioniert er? Wie erkennt ein Hall-Sensor ein Magnetfeld und wie kann man ihn als Schalter, zur Drehzahlmessung oder sogar zur Strommessung einsetzen?

Hall-Sensoren sind kleine elektronische Bauteile, die Magnetfelder berührungslos erkennen und in ein elektrisches Signal umwandeln. Je nach Bauart können sie dabei lediglich feststellen, ob ein Magnetfeld vorhanden ist, oder auch dessen Stärke beziehungsweise Änderungen des Magnetfelds erfassen.

Das Prinzip dahinter beruht auf dem Hall-Effekt. Dieser macht es möglich, Magnetfelder mit elektronischen Bauteilen zu erkennen, ohne dass ein mechanischer Kontakt erforderlich ist. Deshalb findet man Hall-Sensoren unter anderem in Motoren, Fahrzeugen, Haushaltsgeräten, Industrieanlagen und vielen anderen technischen Geräten.

Ich zeige hier zunächst die Funktion und den Aufbau eines Hall-Sensors. Anschließend geht es um verschiedene Bauarten und typische Anwendungen. Zum Schluss zeige ich anhand eines aus einem alten Lüfter ausgebauten AH276, wie sich ein Hall-Sensor praktisch ausprobieren lässt.

Der Hall-Effekt und was es damit auf sich hat

Der Schlüssel zur Funktionsweise von Hall-Sensoren liegt im sogenannten Hall-Effekt. Entdeckt wurde dieser Effekt 1879 von Edwin Hall, einem US-amerikanischen Physiker.

Wenn ein elektrischer Strom durch ein leitfähiges Material fließt und gleichzeitig ein Magnetfeld senkrecht dazu angelegt wird, erfahren die Elektronen im Leiter eine Ablenkung. Diese Ablenkung wird durch die Lorentzkraft verursacht, eine Kraft, die auf bewegte Ladungsträger in einem Magnetfeld wirkt.

Durch die Ablenkung der Elektronen entsteht auf einer Seite des Leiters eine Ansammlung von Ladungen, während die andere Seite entladen wird. Dadurch entsteht eine messbare elektrische Spannung, die sogenannte Hall-Spannung.

Die Hall-Spannung hängt unter anderem von der Stärke des Magnetfeldes und vom Stromfluss ab. Genau dieses Prinzip nutzen Hall-Sensoren, um Magnetfelder zu erkennen und zu messen.

Ein Hall-Sensor kann dadurch beispielsweise als Drehzahlsensor eines Motors, zur Überwachung eines Stromflusses oder als berührungsloser Schalter eingesetzt werden.

Hall-Sensor Funktion: Vom Magnetfeld zur Spannung

Ein klassisches Hall-Element besteht aus einer dünnen Schicht eines Halbleitermaterials und besitzt meist vier Elektroden. An zwei Elektroden wird eine Spannung angelegt. An den beiden anderen Elektroden kann die entstehende Hall-Spannung gemessen werden.

Gerät das Hall-Element in ein Magnetfeld, das senkrecht zur Schicht verläuft, entsteht eine Spannung, die mit der Stärke des Magnetfeldes und dem Stromfluss zusammenhängt.

Die Höhe der Hall-Spannung wird unter anderem durch den Strom, die Bewegung der Elektronen und die Dicke der Halbleiterschicht beeinflusst. Auch die Temperatur hat einen Einfluss auf die Eigenschaften des Hall-Elements.

Aufbau eines Hall-Sensors

Der eigentliche Hall-Sensor besteht aus einem kleinen Halbleiterelement. Bei integrierten Hall-Sensoren kommen zusätzlich elektronische Schaltungen hinzu, die das sehr kleine Signal des Hall-Elements verstärken und weiterverarbeiten.

Je nach Bauart können Hall-Sensoren deshalb unterschiedliche Anschlusszahlen besitzen. Ein einfacher integrierter Sensor kann beispielsweise zwei Anschlüsse für die Versorgung und einen Ausgang besitzen. Andere Hall-Elemente beziehungsweise Sensoren besitzen vier Anschlüsse, von denen zwei für die Versorgung und zwei für das Ausgangssignal verwendet werden.

Die Abbildung zeigt das Grundprinzip: Durch das Hall-Element fließt ein Strom. Wirkt gleichzeitig ein Magnetfeld senkrecht auf das Element, entsteht quer zur Stromrichtung die Hall-Spannung.

Ein wichtiger Vorteil gegenüber einer Spule besteht darin, dass ein Hall-Sensor auch ein konstantes Magnetfeld erkennen kann. Eine Spule liefert dagegen vor allem dann eine Spannung, wenn sich das Magnetfeld ändert.

Vergleich zu Spulen

Im Gegensatz dazu messen Spulen nur die Änderung des Magnetfelds über die Zeit. Zudem benötigen Hall-Sensoren keine ferromagnetischen Materialien wie Eisen oder Nickel, die das Magnetfeld beeinflussen könnten. Diese Eigenschaft unterscheidet sie von anderen magnetischen Sensoren, wie magnetoresistiven Sensoren oder Fluxgate-Magnetometern, die das Magnetfeld durch ihre eigene Anwesenheit verändern können.

Je nachdem, wie das Magnetfeld sich zum Sensor bewegt, ob es sich nähert, entfernt oder die Polarität wechselt, ändert sich die Ausgangsspannung entsprechend. So kann der Sensor nicht nur Magnetfelder erfassen, sondern auch Bewegungen oder Positionen messen.

Was ist der Unterschied zwischen analogen und digitalen Hall-Sensoren?

Hall-Sensoren gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Eine wichtige Unterscheidung ist die zwischen analogen und digitalen Hall-Sensoren.

Analoge Hall-Sensoren

Ein analoger Hall-Sensor liefert ein kontinuierliches Ausgangssignal. Die Ausgangsspannung verändert sich abhängig von der Stärke des Magnetfeldes.

Solche Sensoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen die Stärke eines Magnetfeldes erfasst werden soll. Dazu gehören unter anderem Strommessungen oder Positionsmessungen.

Digitale Hall-Sensoren

Ein digitaler Hall-Sensor arbeitet dagegen wie ein elektronischer Schalter. Er besitzt eine bestimmte Schaltschwelle. Überschreitet das Magnetfeld diesen Wert, ändert sich der Zustand des Ausgangs.

Damit lässt sich beispielsweise feststellen, ob sich ein Magnet an einer bestimmten Position befindet. Digitale Hall-Sensoren werden deshalb häufig zur Positionserkennung oder als berührungslose Schalter eingesetzt.

Bei digitalen Sensoren gibt es außerdem unipolare und bipolare Varianten. Unipolare Sensoren reagieren auf ein Magnetfeld bestimmter Polarität, während bipolare Sensoren abhängig von der Polarität des Magnetfeldes schalten können.

Welche Arten von Hall-Sensoren gibt es?

Hall-Sensoren werden für sehr unterschiedliche Aufgaben eingesetzt. Entsprechend gibt es verschiedene Bauformen und Funktionsprinzipien.

Unipolare Hall-Sensoren

Unipolare Sensoren reagieren auf ein Magnetfeld einer bestimmten Polarität. Überschreitet das Magnetfeld eine bestimmte Stärke, schaltet der Sensor seinen Ausgang.

Sie eignen sich beispielsweise für einfache Ein/Aus-Anwendungen, bei denen erkannt werden soll, ob sich ein Magnet an einer bestimmten Position befindet.

Bipolare Hall-Sensoren

Bipolare Hall-Sensoren reagieren auf unterschiedliche Polaritäten des Magnetfeldes. Dadurch können sie beispielsweise bei der Erfassung von Drehbewegungen eingesetzt werden.

Ratiometrische Hall-Sensoren

Bei einem ratiometrischen Hall-Sensor hängt das Ausgangssignal von der Stärke des Magnetfeldes ab. Solche Sensoren sind deshalb für Anwendungen geeignet, bei denen nicht nur das Vorhandensein eines Magnetfeldes, sondern dessen Stärke ausgewertet werden soll.

Einachsige Hall-Sensoren

Einachsige Sensoren messen das Magnetfeld entlang einer bestimmten Achse. Je nach verwendeter Technologie und Bauform können sie für unterschiedliche Messaufgaben eingesetzt werden.

Integrierte Hall-Sensoren

Bei integrierten Hall-Sensoren befinden sich neben dem Hall-Element weitere elektronische Schaltungen im Bauteil. Dazu können beispielsweise Verstärker und Schaltungen zur Signalverarbeitung gehören.

Dadurch lässt sich das Sensorsignal wesentlich einfacher in einer elektronischen Schaltung verwenden.

3D-Hall-Sensoren

3D-Hall-Sensoren können Magnetfelder in mehreren Raumrichtungen erfassen. Sie eignen sich deshalb für Anwendungen, bei denen die räumliche Richtung eines Magnetfeldes eine Rolle spielt.

Gradienten-Hall-Sensoren

Bei Gradienten-Hall-Sensoren werden mehrere Hall-Elemente so angeordnet, dass Unterschiede beziehungsweise Änderungen des Magnetfeldes erfasst werden können. Das kann beispielsweise für Positionsmessungen genutzt werden.

Hall-Sensor als berührungsloser Schalter

Eine besonders einfache Anwendung ist die Verwendung eines Hall-Sensors als Schalter.

Dabei muss der Sensor nicht unbedingt die genaue Stärke des Magnetfeldes messen. Es reicht aus, wenn er erkennt, dass das Magnetfeld einen bestimmten Wert überschreitet.

Der Vorteil gegenüber einem mechanischen Schalter liegt darin, dass keine beweglichen Kontakte vorhanden sind. Der Schaltvorgang erfolgt elektronisch und berührungslos.

Ein Beispiel findet sich sogar in alltäglichen Geräten: Bei manchen Smartphones erkennt ein Hall-Sensor den Magneten einer Klapphülle. Wird die Hülle geschlossen, kann die Elektronik dadurch erkennen, dass sich der Magnet in unmittelbarer Nähe befindet.

Hall-Sensoren zur Positions- und Drehzahlmessung

Da ein Hall-Sensor Änderungen eines Magnetfeldes erkennen kann, lässt er sich auch zur Erfassung von Bewegungen einsetzen.

Befindet sich beispielsweise ein Magnet an einem rotierenden Bauteil, kann der Sensor bei jeder Umdrehung ein Signal erzeugen. Aus diesen Signalen lässt sich die Drehzahl bestimmen.

Dieses Prinzip wird unter anderem bei Motoren eingesetzt. Bei bürstenlosen Motoren erkennt die Elektronik mithilfe von Hall-Sensoren die Position des Rotors und kann dadurch die einzelnen Motorwicklungen passend ansteuern.

Auch bei Maschinen und automatisierten Anlagen können Hall-Sensoren dazu dienen, die Position oder Geschwindigkeit beweglicher Teile zu erfassen.

Hall-Sensoren zur Strommessung

Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld kann ein Hall-Sensor erkennen.

Dadurch ist eine berührungslose Strommessung möglich. Der Sensor muss den stromführenden Leiter nicht direkt elektrisch kontaktieren, sondern wertet das von ihm erzeugte Magnetfeld aus.

Dieses Prinzip wird unter anderem in elektronischen Geräten, Stromsensoren und industriellen Steuerungen eingesetzt.

Hall-Sensoren im Auto

Auch in Fahrzeugen werden Hall-Sensoren eingesetzt. Sie können beispielsweise die Drehzahl oder Position von rotierenden Bauteilen erfassen.

Bei Motoren lassen sich Hall-Sensoren zur Erfassung der Position von Kurbel- oder Nockenwellen verwenden. Auch bei der Erfassung der Raddrehzahl kommen magnetische Sensorprinzipien zum Einsatz.

Ein Grund für die weite Verbreitung im Fahrzeug ist die berührungslose Arbeitsweise. Der Sensor besitzt keine mechanischen Kontakte, die durch ständige Bewegung verschleißen könnten.

Hall-Sensoren in Alltagsgeräten

Hall-Sensoren arbeiten häufig unauffällig im Hintergrund.

In Smartphones können sie beispielsweise erkennen, ob eine magnetische Klapphülle geschlossen ist. In Druckern können sie zur Positionserkennung eingesetzt werden. Auch in Gaming-Controllern werden Hall-Sensoren verwendet.

Darüber hinaus findet man sie in zahlreichen Haushaltsgeräten und Motoren, wo sie beispielsweise Positionen oder Drehbewegungen erfassen.

Hall-Sensor oder Reed-Schalter: Was ist der Unterschied?

Hall-Sensoren und Reed-Schalter können beide verwendet werden, um einen Magneten berührungslos zu erkennen. Die technische Umsetzung ist jedoch unterschiedlich.

Ein Reed-Kontakt besteht aus zwei ferromagnetischen Kontaktzungen in einem Glasröhrchen. Nähert sich ein Magnet, werden die Kontaktzungen angezogen und schließen den Stromkreis. Wird der Magnet entfernt, öffnen sich die Kontakte wieder.

Ein Hall-Sensor arbeitet dagegen elektronisch. Er nutzt den Hall-Effekt, um ein Magnetfeld zu erkennen und daraus ein elektrisches Signal zu erzeugen.

Ein Reed-Schalter eignet sich deshalb besonders für einfache Schaltaufgaben. Hall-Sensoren können darüber hinaus auch Magnetfeldstärken, Bewegungen oder Positionen erfassen.

Einen Hall-Sensor selbst ausprobieren

Die Funktion eines Hall-Sensors lässt sich auch praktisch untersuchen. Für mein Experiment habe ich einen Hall-Sensor aus einem alten PC-Lüfter verwendet.

Dafür benötigt man:

• einen alten PC-Lüfter
• einen Magneten
• zwei LEDs
• zwei Widerstände mit 470 Ohm
• ein Steckboard mit Verbindungsleitungen
• eine 9-Volt-Batterie mit Anschlussclip oder ein Netzteil

Bei dem verwendeten Sensor handelt es sich um einen Sensor aus einem Lüftermotor. Er erkennt das Magnetfeld und kann entsprechend schalten.

Hall-Sensor aus einem Lüfter ausbauen

Als Magnetfeld-Sensor dient ein Hall-Sensor aus einem alten Lüftermotor, wie dieser in zahlreichen Lüftern für PCs oder in anderen Geräten zum Einsatz kommt. Der Lüfter muss dazu zerlegt werden. Zunächst ist das Lüfterrad zu entfernen. Es ist in der Regel mit einem Sicherungsring aus Kunststoff gesichert, der sich unter einem Aufkleber oder einer Kunststoffabdeckung befindet (siehe Abbildung oben). Darunter ist eine Platine mit aufgelöteten Spulen eingesetzt. Diese Teile sind (mit bereits ausgelöteter Spule) in der folgenden Abbildung zu sehen.

Dieses Bild zeigt den Lüftermotor und das Lüfterrad, das auch den ringförmigen Permanentmagneten enthält. Bei einigen Lüftern lässt er sich mit etwas Vorsicht auch aus dem Lüfterrad ausbauen.

Der ausgebaute Hall-Sensor

Der Hall-Sensor ist links unten in der Abbildung zu sehen. Es ist ein Sensor des Typs AH276 mit vier Anschlüssen. Das Datenblatt für den AH276 ist online erhältlich. Sie finden es unter dem Link. Die Testschaltung für den Sensor habe ich auf einem Steckboard aufgebaut. Sie ist in der folgenden Abbildung zu sehen.

Der AH276 Hall-Sensor

Der hier verwendete AH276 ist ein Hall-Effekt-Sensor mit ergänzendem Ausgang, der hauptsächlich für bürstenlose Gleichstrommotoren entwickelt wurde. Seine Hauptfunktionen sind folgende:

Der integrierte Hall-Sensor erfasst das Magnetfeld. Wenn die magnetische Flussdichte eine bestimmte Schwelle überschreitet, schaltet der Sensor den Ausgang DO auf niedrig (aktiv) und DOB auf hoch (inaktiv). Wenn die Flussdichte unter die sogenannte Rückschaltschwelle fällt, werden die Zustände der Ausgänge umgekehrt. Dies ermöglicht die Erkennung von magnetischen Polwechseln.

Ein interner Verstärker verstärkt das von der Hall-Effekt-Einheit erzeugte Signal. Ein Schmitt-Trigger sorgt für Stabilität bei schwankenden Magnetfeldern, wodurch Fehlfunktionen aufgrund von Störungen minimiert werden.

Der AH276 besitzt zwei Open-Collector-Ausgänge (DO und DOB), die größere Lastströme (bis zu 350 Milliampere) schalten können. Dies ist für die direkte Steuerung von Motorwicklungen nützlich. Eine interne Schaltung zur Temperaturkompensation gleicht Änderungen der Hall-Sensitivität bei variierenden Temperaturen aus.

Als Schutzmechanismen gibt es einen Schutz gegen eine Verpolung der Versorgungsspannung, außerdem einen Übertemperaturschutz (Abschaltung bei etwa 178 Grad Celsius).

Die Anschlüsse des AH276 haben ein geringeres Rastermaß als das des Steckboards. Deshalb habe ich kurze Leitungen an den Sensor angelötet und diese mit der übrigen Hall-Sensor-Schaltung verbunden. Als Spannungsquelle dient eine 9-Volt-Batterie.

Die Schaltung reagiert bei Annäherung eines Magneten in einer bestimmten Richtung. Je nachdem, ob der Nord- oder der Südpol des Magneten in die Nähe des Sensors gelangt, leuchtet entweder die eine oder die andere LED auf. Dreht man den Magnet in der Nähe des Sensors, ändert sich das Magnetfeld entsprechend. Dann erlischt die eine LED, die andere leuchtet auf.

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Wie funktioniert ein Lüftermotor mit Hall-Sensor?

Der Hall-Sensor aus dem Experiment stammt aus einem bürstenlosen Lüftermotor. Hier übernimmt er eine wichtige Aufgabe bei der elektronischen Kommutierung des Motors.

Ein bürstenloser Lüftermotor besteht unter anderem aus Spulen, einem Permanentmagneten und einer elektronischen Steuerung. Die Spulen erzeugen ein Magnetfeld, wenn Strom durch sie fließt. Dieses Magnetfeld wirkt mit dem ringförmigen Permanentmagneten zusammen, der am Lüfterrad befestigt ist.

Der Hall-Sensor erkennt dabei die Position des Magneten. Die Elektronik kann daraus ableiten, welche Spulen gerade angesteuert werden müssen. Auf diese Weise entsteht eine kontinuierliche Drehbewegung.

Im Gegensatz zu einem klassischen Kollektormotor benötigt ein bürstenloser Motor keine Bürsten und keinen mechanischen Kommutator zur Umschaltung des Stroms. Das macht diese Motoren langlebig und für den Dauerbetrieb geeignet. PC-Lüfter sind ein typisches Beispiel für diese Bauweise.

Hier ein Video, das die zum Testen des AH276 aufgebaute Schaltung zeigt.

Fazit: Was macht ein Hall-Sensor?

Ein Hall-Sensor nutzt den Hall-Effekt, um ein Magnetfeld elektronisch zu erkennen. Je nach Bauart kann er dabei lediglich einen Schaltzustand liefern oder ein Signal erzeugen, das von der Stärke des Magnetfeldes abhängt.

Dadurch sind zahlreiche Anwendungen möglich: Hall-Sensoren können Positionen und Drehzahlen erfassen, als berührungslose Schalter eingesetzt werden oder zur Strommessung dienen.

Ein wesentlicher Vorteil ist die berührungslose Arbeitsweise. Da keine mechanischen Kontakte bewegt werden müssen, gibt es keinen entsprechenden Kontaktverschleiß.

Das macht Hall-Sensoren zu vielseitigen Bauteilen, die sowohl in einfachen elektronischen Schaltungen als auch in Motoren, Fahrzeugen, Haushaltsgeräten und industriellen Anlagen eingesetzt werden.

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