Neues Hall-Schaltkonzept

Aufgrund des einfacheren mechanischen Aufbaus weisen mittels Hall-Sensorik geschaltete Bedienelemente gegenüber elektromechanischen Schaltern eine höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer auf. Problematisch ist allerdings die Anfälligkeit herkömmlicher Hall-Schalter für Fremdfeldeinwirkungen. Wenn die Einbaulage keinen ausreichenden Schutz vor Störfeldern bietet, sind bisher zusätzliche konstruktive Vorkehrungen erforderlich, um durch äußere Magnetfelder verursachte Fehlschaltungen zu unterbinden. Mit einem neu entwickelten Wirkprinzip ist es uns jetzt gelungen, die Störsicherheit des Schaltsignals ohne aufwändige Abschirmung zu gewährleisten.

Das zur Patentierung eingereichte Hall-Schaltkonzept erlaubt die Adaption an verschiedenste, zur Maschinenbedienung eingesetzte Schaltkomponenten. Hierzu lässt sich das fremdfeldgeschützte Schaltprinzip den spezifischen Erfordernissen einzelner Schalterbaugruppen entsprechend auslegen. Damit bietet sich Taster- und Schalter-Herstellern die Möglichkeit, das Einsatzgebiet der Hall-Technologie zu erweitern und auch sehr klein dimensionierte Formate zu realisieren.

2019022_Griessbach_hall-test-stoerfelder

Mit seinem innovativen Wirkprinzip immunisiert Griessbach Hall-Schaltungen gegen magnetische Störfelder

Aufbau & Funktionsweise des neuen Wirkprinzips

Verschleißfreies Schaltprinzip
Als kontaktloses Schaltprinzip unterliegt die Hall-Sensorik im Unterschied zu elektromechanischen Schaltern nur minimalem mechanischen Verschleiß und ist zudem resistent gegen Vibrationen, Temperaturschwankungen, Schmutz und Feuchtigkeit. Ein Schwachpunkt herkömmlicher Hall-Schaltungen besteht allerdings in ihrer Störanfälligkeit gegenüber magnetischer Fremdfeldeinwirkung. Mit dem neuen Griessbach-Schaltkonzept ist es uns gelungen, die Schaltsignale vor derartigen Einwirkungen zu schützen und gefährliche Fehlschaltungen sicher auszuschließen.

Störfelder ausschalten
Je nach Einbaulage können konventionelle Hall-Schaltungen durch magnetische Fremdfelder beeinträchtigt werden. Wo das Bediengehäuse keine ausreichende Abschirmung bietet, sind zusätzliche konstruktive Vorkehrungen erforderlich, um das Risiko von Fehlschaltungen auszuschließen. Eine gesonderte Gehäuseabschirmung oder integrierte 3D- bzw. Fremdfeldsensorik mit dazugehöriger Software machen den Einsatz der Hall-Sensorik jedoch vergleichsweise aufwändig und kostenintensiv.

Das neue Griessbach-Wirkprinzip erspart zusätzliche Schutzmaßnahmen und lässt sich daher auch in Kleinschaltern mit kurzem Betätigungsweg von 1 mm oder für Tasterdurchmesser ab 8 mm zum Joystick-Einbau einsetzen. Es eignet sich für alle Betätigungsarten vom Drucktaster über Dreh-, Wahl- und Schiebeschalter bis zum in der Fahrzeugbedienung gebräuchlichen Wippschalter. Sämtliche Schaltervarianten können zur Erreichung hoher Performance Levels diagnosefähig und/oder zweikanalig ausgelegt werden und ermöglichen hohe Schaltspielzahlen.

Differenzierte Signalerfassung
Das Neuartige der von uns entwickelten Lösung basiert auf einem speziellen Konstruktionsprinzip, um Schaltzustand und Auswertung an die magnetische Felddifferenz zu koppeln. Hierzu werden auf kleinstem Raum mittels im Stößel verbauter Magneten gegenläufige magnetische Feldverläufe erzeugt. Ihre jeweilige Polarität wird von gegenüberliegenden Hall-Sensoren mit Sättigungsgrenzen im Bereich von 100 mT bis 300 mT detektiert. Durch die bei Betätigung des Tasters oder Schalters bewirkte magnetische Feldänderung minimiert oder invertiert sich – abhängig von der spezifischen Auslegung des Schaltprinzips – die von den Sensoren generierte Ausgangsspannung. Über die Auswertung per Komparator oder Microcontroller ist sichergestellt, dass ein Schaltsignal ausschließlich dann ausgelöst wird, wenn das Differenzsignal seine Polarität ändert bzw. vorgegebene Schaltpunkte über- oder unterschritten werden (Hysterese). Ein Wechsel des Schaltzustands kann somit nur durch Betätigung und nicht durch homogene äußere Störeinflüsse erfolgen, da bei Erreichen der Endlage das positive oder negative Differenzsignal betragsmäßig konstant bleibt.

20190222_Greissbach_hall_sensorschaltung_cut

BS1: Magnetische Flussdichte am Sensor 1
BS2: Magnetische Flussdichte am Sensor 2

Störsichere Hall-Schaltung durch Detektion und Auswertung gegenläufiger Feldkomponenten

20190222_Griessbach_hall_lt_can-modul

Auch für unsere Leuchttasten entwickeln wir neue ein- und mehrkanalige Schaltelemente mit Störfeld-resistenter Hall-Sensorik

20190222_Griessbach_messung_kreuzen

Das Differenzsignal bleibt intakt: Gemessene Störeinflüsse durch inhomogene magnetische Fremdfelder vor und nach Schalter-Betätigung

Vor inhomogenen Störeinflüssen geschützt
Mit diesem Schaltkonzept lassen sich auch durch inhomogene Störfelder verursachte Fehlschaltungen nahezu komplett unterbinden. In Testreihen mit verschiedensten Prototypen konnten selbst starke Neodym-Magneten mit Flussdichten von 0,6 T, die unmittelbar am Schaltergehäuse wirken, den Schaltzustand nicht beeinflussen. Die vom Oszillographen angezeigten Feldveränderungen führen lediglich zu einer Verschiebung oder geringen Modifikation des Differenzsignals. Somit ist das Signal auch in diesen Fällen vor einem durch Polaritätsumkehr verursachten Wechsel des Schaltzustands geschützt.

Vielfältiger Funktionsaufbau
Das von uns modifizierte Hall-Schaltkonzept bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Je nach Schaltaufgabe und Tasterformat lässt sich die Anordnung von Sensoren und Magneten variabel gestalten, um beispielsweise besonders kleine Bauhöhen oder eine redundante Auswertung der Sensorschaltung zu realisieren. Für ein Höchstmaß an Absicherung kann das Differenzsignal verdoppelt werden. Hierzu wird die Ausrichtung des Feldes – gegenüber einem Aufbau mit parallel zu den Sensoren verlaufender magnetischer Achse – um 90° gedreht, so dass die Achsen senkrecht zu den Detektionsflächen stehen. Durch diesen Aufbau ist der Schalter in beiden Endlagen durch ein maximal ausgelegtes Differenzsignal umfassend vor Fremdfeldern geschützt. Dieser erhöhte Fremdfeldschutz lässt sich sowohl durch Integration von drei Magneten als auch eines Multipol-Magneten erzielen. Für alle Schaltfunktionen, die in einer Endposition keinen derart hohen Schutzfaktor erfordern, bieten sich die bauteilreduzierten Varianten mit ein oder zwei Magneten an.

Fazit

Für viele Anwendungen, bei denen heute noch elektromechanische Schalter verbaut werden, steht mit der von uns weiterentwickelten Hall-Sensorik und Auswertung jetzt eine sehr zuverlässige, verschleißarme Alternative zur Verfügung, die sich kostenoptimiert auf kleinstem Raum realisieren lässt. Weil das neu entwickelte Schaltkonzept den störsicheren Betrieb unabhängig von der Einbausituation gewährleistet, können die Schalter ohne aufwändige Schirmvorkehrungen auch in redundanter Ausführung ausgelegt und flexibel installiert werden.

Angesichts der steigenden Anforderungen an die Bedien- und Ausfallsicherheit von Maschinen quer durch alle Branchen besteht eine wachsende Nachfrage nach verschleißfreier, langlebiger Schalttechnik. Daher wenden wir uns im nächsten Schritt nun an Schalter-Hersteller, die das Potenzial dieser Innovation für ihr Produktprogramm nutzen wollen und die neue Hall-Sensorik über ihr Vertriebsnetz im Markt etablieren. Unternehmen, die an einer Kooperation interessiert sind, können sich direkt an uns wenden.

20190222_Griessbach_stoerfeldwirkung_cut

BF: Flussdichte eines Fremdfeldes

Bei homogener wie inhomogener Fremdfeldeinwirkung bleibt die den Schaltzustand bestimmende Signaldifferenz bestehen

20190222_Griessbach_detektionsweisen

Unterschiedliche Auswerteschemata ermöglichen einen variantenreichen Aufbau der Griessbach-Hall-Schaltung

Verschleißfrei sicher schalten