Sensor de efecto Hall

No podríamos terminar esta discusión sobre el magnetismo sin mencionar los sensores magnéticos, y especialmente el uso muy común del sensor de efecto Hall.

Los sensores magnéticos convierten la información magnética o magnéticamente en señales eléctricas para su procesamiento mediante circuitos electrónicos codificados y en los sensores y transductores que nosotros examinamos en la proximidad de sensores inductivos y el LDVT, así como los solenoides y los actuadores de salida.

Los sensores magnéticos son dispositivos de estado sólido que se están volviendo cada vez más populares ya que se pueden utilizar en una amplia variedad de aplicaciones, tales como: para la detección de posición, velocidad o movimiento direccional. También son una opción popular para los sensores de los diseñadores de electrónica porque son sin contacto, sin desgaste, de bajo mantenimiento, robustos y, como dispositivos sellados de efecto Hall, son inmunes a las vibraciones, el polvo y el agua.

Uno de los principales usos de los sensores magnéticos es en los sistemas automotrices para detectar posición, distancia y velocidad. Por ejemplo, la posición angular del cigüeñal para el ángulo de encendido de las bujías, la posición de los asientos del automóvil y los cinturones de seguridad para el control del airbag o la detección de la velocidad de las ruedas para el sistema de frenos antibloqueo (ABS).

Los sensores magnéticos responden a una variedad de campos magnéticos positivos y negativos en una variedad de aplicaciones diferentes. Un tipo de sensor magnético, cuya salida depende de la densidad del campo magnético que lo rodea, se denomina sensor de efecto Hall.

Los sensores de efecto Hall son dispositivos que se activan mediante un campo magnético externo. Sabemos que un campo magnético tiene dos propiedades importantes: densidad de flujo (B) y polaridad (polos norte y sur). La señal de salida de un sensor de efecto Hall es la función de la densidad del campo magnético alrededor del dispositivo. Cuando la densidad de flujo magnético alrededor del sensor excede un cierto valor de umbral preestablecido, el sensor lo detecta y genera un voltaje de salida, que se conoce como el voltaje Hall VH. Mira el siguiente diagrama.

Principios del sensor de efecto hall

hall effect sensor principles - Sensor de efecto Hall - ClasesParaTodos.org

Los sensores de efecto Hall consisten esencialmente en una pieza delgada de material semiconductor rectangular tipo p, como arseniuro de galio (GaAs), antimoniuro de indio (InSb) o arseniuro de indio (InAs), que conduce una corriente continua por sí mismo. Cuando el dispositivo se coloca en un campo magnético, las líneas de flujo magnético ejercen una fuerza sobre el material semiconductor que desvía los portadores de carga, los electrones y los orificios a cada lado de la placa semiconductora. Este movimiento de los portadores de carga es el resultado de la fuerza magnética que experimentan a través del material semiconductor.

Cuando estos electrones y agujeros se mueven lateralmente, la acumulación de estos portadores de carga crea una diferencia de potencial entre los dos lados del material semiconductor. Entonces, el movimiento de los electrones a través del material semiconductor está influenciado por la presencia de un campo magnético externo que es perpendicular a él, y este efecto es mayor con un material rectangular plano.

El efecto de generar un voltaje medible mediante el uso de un campo magnético se llama efecto Hall después de que Edwin Halldie lo descubrió en la década de 1870, el principio físico fundamental bajo el efecto Hall es la fuerza de Lorentz. Para crear una diferencia de potencial a través del dispositivo, las líneas de flujo magnético deben ser perpendiculares (90°) al flujo de corriente y tener la polaridad correcta, generalmente un polo sur.

El efecto Hall proporciona información sobre el tipo de polo magnético y la fuerza del campo magnético. Por ejemplo, un polo sur haría que el dispositivo produjera una salida de voltaje, mientras que un polo norte no tendría ningún efecto. En general, los sensores e interruptores de efecto Hall están diseñados para estar apagados cuando no hay campo magnético. Solo se encienden cuando se exponen a un campo magnético de suficiente fuerza y ​​polaridad.

Sensor magnético de efecto Hall

El voltaje de salida llamado voltaje Hall (VH) es la razón por la cual el elemento Hall es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético que pasa a través del material semiconductor (salida α H). Este voltaje de salida puede ser bastante pequeño, incluso con campos magnéticos fuertes de solo unos pocos microvoltios. Por lo tanto, la mayoría de los dispositivos de efecto Hall disponibles comercialmente se fabrican con amplificadores de CC incorporados, circuitos lógicos y reguladores de voltaje para mejorar la sensibilidad, histéresis y salida del voltaje de los sensores. Esto permite que el sensor de efecto Hall funcione en una gama más amplia de fuentes de alimentación y condiciones de campo magnético.

El Sensor de efecto hall

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Los sensores de efecto Hall están disponibles con salidas lineales o digitales. La señal de salida para los sensores lineales (analógicos) se toma directamente de la salida del amplificador operacional, siendo el voltaje de salida directamente proporcional al campo magnético que fluye a través del sensor Hall. Este voltaje de salida Hall se da de la siguiente manera:

hall effect voltage - Sensor de efecto Hall - ClasesParaTodos.org

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  • Donde:
  • VH es el voltaje Hall en voltios
  • RH es el coeficiente de efecto Hall
  • I es el flujo de corriente a través del sensor en amperios
  • t es el grosor del sensor en mm
  • B es la densidad de flujo magnético en Teslas

Los lineales o analógicos sensores dan un voltaje continuo que aumenta con un campo magnético fuerte y disminuye con un campo magnético débil. En el caso de los sensores de efecto Hall con salida lineal, a medida que aumenta la fuerza del campo magnético, también lo hace la señal de salida del amplificador hasta que comienza a saturarse debido a los límites que le impone la fuente de alimentación. Un aumento adicional en el campo magnético no tiene ningún efecto sobre la salida, pero sí aumenta la saturación.

Los sensores de salida digital, por otro lado, tienen un disparador Schmitt con histéresis incorporada que está conectado al amplificador operacional. Si el flujo magnético que fluye a través del sensor Hall excede un valor preestablecido, la salida del dispositivo cambia rápidamente entre el estado «OFF» y «ON» sin que se produzca un salto de contacto. Esta histéresis incorporada elimina cualquier oscilación en la señal de salida cuando el sensor entra y sale del campo magnético. Entonces, los sensores de salida digital solo tienen dos estados, «ON» y «OFF».

Hay dos tipos básicos de sensores digitales de efecto Hall: bipolar y unipolar. Los sensores bipolares requieren un campo magnético positivo (polo sur) para operar y un campo negativo (polo norte) para liberarse, mientras que los sensores unipolares solo necesitan un solo polo sur magnético para operar y liberarse cuando dentro del imán se mueve dentro y fuera de su caja.

La mayoría de los dispositivos de efecto Hall no pueden conmutar grandes cargas eléctricas directamente porque sus capacidades de excitación de salida son muy bajas de 10 a 20 mA. En el caso de cargas de alta corriente, se agrega a la salida un transistor NPN con un colector abierto (sumidero de corriente).

En su rango saturado, este transistor funciona como un interruptor disipador NPN que corta la conexión de salida a tierra si la densidad de flujo aplicada es mayor que la del punto de ajuste preestablecido «ON».

El transistor de conmutación de salida puede ser un transistor de emisor abierto, una configuración de transistor de colector abierto, o ambos, proporcionando una configuración de salida tipo push-pull que puede consumir suficiente corriente para impulsar muchas cargas, incluidos relés, motores, LED y lámparas, directamente .

Aplicaciones del efecto hall

Los sensores de efecto Hall se activan mediante un campo magnético y, en muchas aplicaciones, el dispositivo puede ser operado por un solo imán permanente conectado a un eje o dispositivo en movimiento. Hay muchos tipos diferentes de movimiento de imanes, como: «frontal», «lateral», «empujar-tirar» o «empujar-empujar», etc., registrar los movimientos. Con cualquier tipo de configuración, las líneas de flujo magnético deben ser siempre perpendiculares al área de detección del dispositivo y tener la polaridad correcta para asegurar la máxima sensibilidad.

Para garantizar la linealidad, también se requieren imanes con alta intensidad de campo, que provocan un gran cambio en la intensidad de campo para el movimiento requerido. Hay varios caminos posibles para detectar un campo magnético. A continuación se muestran dos de las configuraciones de detección más comunes que utilizan un solo imán: detección frontal y detección lateral.

Detección frontal

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Como el nombre sugiere, “detección frontal” requiere que el campo magnético es perpendicular al dispositivo de detección de efecto Hall y se acerca al sensor directamente en la dirección de la cara activa para la detección. Una especie de enfoque «frontal».

Esta aproximación frontal produce una señal de salida VH que en los dispositivos lineales representa la fuerza del campo magnético, la densidad de flujo magnético, en función de la distancia desde el sensor de efecto Hall. Cuanto más cerca y, por tanto, más fuerte sea el campo magnético, mayor será la tensión de salida y viceversa.

Los dispositivos lineales también pueden distinguir entre campos magnéticos positivos y negativos. Se pueden hacer dispositivos no lineales para activar la salida «ON» a una distancia preestablecida desde el imán para indicar la detección de la posición.

Detección lateral

sideways hall effect sensing - Sensor de efecto Hall - ClasesParaTodos.org

La segunda configuración de detección es «detección lateral». Esto requiere que el imán se mueva en un movimiento lateral sobre la superficie del elemento de efecto Hall.

La detección lateral o de paso es útil para detectar la presencia de un campo magnético a medida que se mueve dentro de una distancia de entrehierro fija a través de la superficie del elemento Hall. Ej: contando la rotación magnética o la velocidad de los motores.

Dependiendo de la posición del campo magnético cuando pasa por la línea central del campo cero del sensor, se puede generar un voltaje de salida lineal que representa tanto una salida positiva como una negativa. Esto permite la detección de movimiento direccional que puede ser tanto vertical como horizontal.

Hay muchos usos diferentes para los sensores de efecto Hall, especialmente como sensores de proximidad. Se pueden usar en lugar de sensores ópticos y de luz cuando las condiciones ambientales son de agua, vibración, suciedad o aceite, como en aplicaciones automotrices. Los dispositivos de efecto Hall también se pueden utilizar para medir la corriente.

Sabemos por los tutoriales anteriores que cuando una corriente fluye a través de un conductor, se crea un campo electromagnético circular a su alrededor. Al colocar el sensor Hall junto al conductor, se pueden medir corrientes eléctricas desde unos pocos miliamperios hasta miles de amperios a partir del campo magnético generado sin la necesidad de transformadores y bobinas grandes o costosos.

Los sensores de efecto Hall no solo detectan la presencia o ausencia de imanes y campos magnéticos, sino que también pueden detectar materiales ferromagnéticos como el hierro y el acero colocando un pequeño imán permanente detrás del área activa del dispositivo. El sensor se encuentra ahora en un campo magnético permanente y estático, y cualquier cambio o perturbación de este campo magnético debido a la introducción de un material ferroso se detecta con una sensibilidad de tan solo mV / G.

Hay muchas formas diferentes de conectar sensores de efecto Hall a circuitos eléctricos y electrónicos, según el tipo de dispositivo, ya sea digital o lineal. Un ejemplo muy simple y fácil de construir es el uso de un diodo emisor de luz como se muestra a continuación.

Detector posicional

hall effect positional indicator - Sensor de efecto Hall - ClasesParaTodos.org

Este detector se apaga cuando no hay campo magnético (0 Gauss). Si el polo sur del imán permanente (gaussiano positivo) se mueve perpendicularmente al área activa del sensor de efecto Hall, el dispositivo se enciende y el LED se enciende. Después de encenderlo, el sensor de efecto Hall permanece encendido.Para apagar el dispositivo y, por lo tanto, el LED, el campo magnético debe reducirse por debajo del punto de liberación para sensores unipolares o exponerse a un polo norte magnético (gaussiano negativo) para sensores bipolares. El LED se puede reemplazar por un transistor de potencia más grande si la salida del sensor de efecto Hall es requerido para conmutar cargas de corriente más grandes.

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