Der Hallgeber im Kfz

Ein Hallgeber ist ein Sensor, der ein Magnetfeld erfasst und daraus ein elektrisches Signal macht. Weil sich damit Drehzahl, Position und Winkel berührungslos und verschleißfrei messen lassen, steckt er in einem modernen Fahrzeug an vielen Stellen. Tippe auf eine Karte, um mehr zu erfahren.

Den Effekt entdeckte der amerikanische Physiker Edwin Hall im Jahr 1879. Die Idee ist einfach: Fließt Strom durch ein dünnes Plättchen und durchsetzt ein Magnetfeld dieses Plättchen senkrecht, werden die bewegten Ladungsträger seitlich abgelenkt. An den beiden Längsseiten sammeln sich dadurch unterschiedliche Ladungen, und zwischen ihnen lässt sich eine Spannung messen: die Hall-Spannung U_H.

Die Kraft, die die Ladungsträger ablenkt, heißt Lorentzkraft. Sie wirkt nur auf bewegte Ladungen. Ohne Strom oder ohne Magnetfeld gibt es deshalb keine Hall-Spannung.

Probiere im Simulator drei Dinge aus: Dreh das Magnetfeld auf null, dann dreh es ins Negative, und stell zuletzt auf Kupfer um. Du wirst sehen, dass sich die Hall-Spannung umpolt, wenn das Feld seine Richtung ändert, und dass ein Metall praktisch keine messbare Hall-Spannung liefert. Deshalb bestehen Hall-Elemente aus Halbleitern.

Die Hall-Spannung eines einzelnen Plättchens liegt im Millivoltbereich und ist für ein Steuergerät viel zu klein und zu störanfällig. Ein Kfz-Hallgeber enthält deshalb einen kompletten kleinen Schaltkreis, den Hall-IC. Er sitzt zusammen mit einem Dauermagneten in einem Kunststoffgehäuse, vorne vergossen und abgedichtet gegen Öl und Wasser.

Die Aufgaben der Bausteine im Überblick:

• Dauermagnet: liefert das Magnetfeld. Ein vorbeilaufender Zahn aus Eisen verstärkt oder schwächt dieses Feld am Hall-Element. Bei Gebern mit Magnetring (z. B. im Radlager) sitzt der Magnet stattdessen am drehenden Teil.
• Hall-Element: wandelt die Feldänderung in eine kleine Hall-Spannung um.
• Verstärker: hebt die Spannung auf einen gut verarbeitbaren Pegel.
• Schmitt-Trigger: macht aus dem analogen Verlauf ein sauberes digitales Signal mit zwei Zuständen.
• Ausgangstransistor: schaltet die Signalleitung gegen Masse. Die Spannung für den High-Pegel kommt meist über einen Widerstand im Steuergerät.

Außen sieht man davon nur drei Anschlüsse: Versorgung (meist 5 V vom Steuergerät, bei manchen Sensoren auch Bordnetzspannung), Masse und Signal. Die Pin-Belegung ist je nach Hersteller unterschiedlich und muss immer im Schaltplan nachgeschlagen werden.

Am Motor läuft vor dem Hallgeber ein Geberrad mit Zähnen oder Segmenten vorbei. Steht ein Zahn vor dem Sensor, ändert sich das Magnetfeld, der Hall-IC schaltet um. Das Ergebnis ist ein Rechtecksignal, dessen Höhe immer gleich bleibt, egal wie schnell sich das Rad dreht.

Im Simulator kannst du die Drehzahl und den Luftspalt verändern und das Signal eines induktiven Gebers zum Vergleich einblenden. Stell die Drehzahl auf null und dreh das Rad mit den Pfeiltasten schrittweise weiter.

Drei Beobachtungen solltest du mitnehmen:

1. Die Signalhöhe des Hallgebers ist unabhängig von der Drehzahl. Nur die Frequenz ändert sich.
2. Auch im Stillstand liefert er einen eindeutigen Pegel. Das Steuergerät weiß also schon vor dem Start, ob gerade ein Zahn oder eine Lücke vor dem Sensor steht.
3. Wird der Luftspalt zu groß, schaltet der Sensor irgendwann gar nicht mehr. Das Signal wird nicht langsam kleiner wie beim induktiven Geber, sondern fällt schlagartig aus.

Beide Sensoren messen Drehzahlen, arbeiten aber nach ganz unterschiedlichen Prinzipien. Die Tabelle fasst die Unterschiede zusammen, die in Werkstatt und Prüfung immer wieder gefragt werden.

Bevor ein Hallgeber getauscht wird, lohnt sich eine systematische Prüfung. Sehr oft liegt der Fehler nicht im Sensor, sondern in Leitung, Stecker oder Versorgung. Die Reihenfolge unten hat sich in der Praxis bewährt.

1. Fehlerspeicher auslesenWelcher Geber ist betroffen, und ist der Fehler aktuell oder sporadisch? Istwerte im Diagnosegerät ansehen, etwa die Drehzahl beim Starten.
2. SichtprüfungStecker auf Korrosion und Öl, Leitungen auf Scheuerstellen, Sensorkopf auf Metallspäne und Beschädigung.
3. Versorgungsspannung messenStecker abziehen, Zündung ein. Zwischen Versorgungs- und Massepin muss die Sollspannung anliegen, meist etwa 5 V.
4. Masse prüfenSpannungsfall auf der Masseleitung unter Last messen. Eine schlechte Masse verschiebt den Low-Pegel nach oben.
5. Signal prüfenStecker aufstecken und am Signalpin messen. Mit dem Multimeter bei langsamem Durchdrehen: Wechsel zwischen nahe 0 V und High-Pegel. Besser mit dem Oszilloskop beim Starten oder im Leerlauf.
6. Leitungen zum Steuergerät prüfenDurchgang, Kurzschluss gegen Masse und gegen Plus auf allen drei Leitungen.

Fünf Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Betrachte ein quaderförmiges Plättchen der Breite b und Dicke d, durch das der Strom I fließt. Die Ladungsträger (Ladung q, Dichte n) bewegen sich mit der Driftgeschwindigkeit v. Steht das Magnetfeld B senkrecht zur Plättchenebene, wirkt auf jeden Ladungsträger die Lorentzkraft:

Die Ladungsträger sammeln sich an einer Seite, bis das dadurch entstandene elektrische Querfeld E_H = U_H/b eine gleich große Gegenkraft ausübt. Im Gleichgewicht gilt:

Die Driftgeschwindigkeit folgt aus dem Strom: I = n · q · v · b · d. Eingesetzt ergibt sich die bekannte Gleichung für die Hall-Spannung:

Warum Halbleiter und warum dünn?

Die Formel zeigt die beiden Stellschrauben direkt. Kleine Ladungsträgerdichte n: In Kupfer gibt es rund 8,5 · 10²⁸ freie Elektronen pro Kubikmeter, in einem dotierten Halbleiter nur etwa 10²¹ bis 10²³. Bei gleichem Strom müssen die wenigen Ladungsträger viel schneller driften, die Lorentzkraft wird entsprechend größer. Kleine Dicke d: Hall-Elemente sind deshalb dünne Schichten im Mikrometerbereich.

Wird das Element nicht mit konstantem Strom, sondern mit konstanter Spannung betrieben, hängt die Empfindlichkeit von der Beweglichkeit μ der Ladungsträger ab. Materialien wie Indiumantimonid (InSb) oder Galliumarsenid (GaAs) haben eine sehr hohe Beweglichkeit und werden für diskrete, besonders empfindliche Hall-Elemente genutzt. Im Kfz dominieren trotzdem Hall-Elemente aus Silizium: Ihre Empfindlichkeit ist geringer, dafür lassen sie sich zusammen mit Verstärker, Temperaturkompensation und Logik auf einem einzigen CMOS-Chip integrieren.

Ein reales Hall-Element liefert nicht nur die gewünschte Spannung. Drei Störgrößen muss der IC in den Griff bekommen, damit das Steuergerät ein verlässliches Signal bekommt.

Offset und Spinning Current

Schon kleinste Fertigungstoleranzen und mechanische Spannungen im Chip erzeugen eine Spannung, obwohl gar kein Magnetfeld anliegt. Dieser Offset kann größer sein als das eigentliche Nutzsignal. Moderne Hall-ICs nutzen deshalb das Spinning-Current-Verfahren: Der Steuerstrom wird in schneller Folge über verschiedene Kontaktpaare des Elements geschickt. Das Hall-Signal dreht sich dabei mit, der Offset verhält sich anders und mittelt sich über einen Zyklus weitgehend heraus.

Temperaturkompensation

Ladungsträgerdichte und Beweglichkeit hängen von der Temperatur ab, ebenso die Stärke des Dauermagneten. Im Motorraum schwanken die Temperaturen zwischen etwa −40 °C und weit über 100 °C. Der IC gleicht diese Drift intern aus, oft per abgleichbarer Kennlinie, die bei der Herstellung programmiert wird.

Hysterese im Schmitt-Trigger

Das analoge Signal ist nie ganz glatt. Würde der IC an einer einzigen Schwelle umschalten, könnte jedes kleine Rauschen um diese Schwelle herum mehrere Schaltflanken erzeugen, und das Steuergerät würde falsche Zähne zählen. Der Schmitt-Trigger arbeitet deshalb mit zwei Schwellen: Eingeschaltet wird erst beim Überschreiten des Einschaltpunkts B_OP, ausgeschaltet erst beim Unterschreiten des niedrigeren Ausschaltpunkts B_RP. Der Abstand dazwischen ist die Hysterese.

„Hallgeber“ ist ein Sammelbegriff. Je nach Aufgabe unterscheiden sich die Sensoren in ihrem Schaltverhalten und ihrem inneren Aufbau erheblich.

Wie die Information vom Sensor ins Steuergerät gelangt, ist für die Diagnose entscheidend. Wer die Schnittstelle nicht kennt, misst schnell an der falschen Stelle oder mit dem falschen Messgerät.

Mit Start-Stopp-Systemen sind die Anforderungen an Kurbel- und Nockenwellensensoren deutlich gestiegen. Beim Abstellen pendelt der Motor oft ein kleines Stück zurück. Ein einfacher Geber zählt diese Rückwärtsbewegung als Vorwärtsdrehung, und das Steuergerät kennt die Kurbelwellenstellung danach nicht mehr genau. Beim nächsten Start müsste es erst neu synchronisieren, was Zeit kostet.

Drehrichtungserkennung

Richtungserkennende Hallgeber besitzen mehrere Hall-Elemente, die den Zahn zeitlich versetzt sehen. Aus der Reihenfolge der Signale erkennt der IC die Drehrichtung. Übertragen wird sie zum Beispiel über unterschiedlich lange Ausgangsimpulse für vorwärts und rückwärts. So kann das Steuergerät die Kurbelwellenstellung auch während des Auspendelns mitverfolgen und den Motor beim nächsten Start sofort mit der richtigen Einspritzung und Zündung anlaufen lassen.

True Power On

Ein Sensor mit True-Power-On-Funktion (TPO) liefert direkt nach dem Einschalten den korrekten Pegel, also Zahn oder Lücke, ohne dass sich das Rad erst drehen muss. Bei Nockenwellengebern verkürzt das die Synchronisation, weil das Steuergerät schon beim ersten Kurbelwellenimpuls weiß, in welchem Takt sich der Zylinder befindet. Sensoren mit selbstlernender Schaltschwelle brauchen dagegen erst einige Zähne, um sich einzumessen.

Zusammenspiel von Kurbel- und Nockenwelle

Die Kurbelwelle dreht sich pro Arbeitsspiel zweimal, die Nockenwelle einmal. Das Kurbelwellensignal allein sagt daher nur, wo der Kolben steht, nicht ob er im Verdichtungs- oder im Ausstoßtakt ist. Erst zusammen mit dem Nockenwellensignal erkennt das Steuergerät den Arbeitstakt eindeutig. Zusätzlich vergleicht es beide Signale laufend und erkennt so eine gelängte Steuerkette, einen übersprungenen Zahnriemen oder eine fehlerhafte Nockenwellenverstellung.

Mit dem Oszilloskop lassen sich die meisten Fehler am Hallgeber eindeutig zuordnen. Die folgende Übersicht verbindet typische Signalbilder mit ihren wahrscheinlichen Ursachen.

Häufige OBD-II-Fehlercodes

P0335 bis P0339 betreffen den Kurbelwellen-Positionssensor A, P0340 bis P0344 den Nockenwellen-Positionssensor A in Bank 1. Weitere Codes wie P0016 beschreiben die Plausibilität zwischen Kurbel- und Nockenwelle. Fehler an Raddrehzahlsensoren werden meist als herstellerspezifische C-Codes im ABS- bzw. ESP-Steuergerät abgelegt.

Profitipps

• Kurbel- und Nockenwellensignal immer gleichzeitig auf zwei Kanälen aufnehmen. Nur so wird die Phasenlage sichtbar.
• Signal zuerst am Steuergerät messen. Ist es dort sauber, sind Sensor und Leitung in Ordnung.
• Sporadische Fehler oft temperaturabhängig: Sensor mit Heißluft vorsichtig erwärmen oder Kältespray einsetzen und dabei das Signal beobachten.
• Nach dem Sensortausch Fehlerspeicher löschen und eine Probefahrt mit Istwertbeobachtung machen. Manche Systeme lernen das Geberrad neu an.

Sechs Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau.