Sensores de efecto Hall

Sensores de efecto Hall

El método más común y extendido para detectar el campo magnético es el método de efecto Hall entre las diversas tecnologías de detección. Basado en el efecto Hall, hay numerosos sensores de efecto Hall o transductores que se encuentran en una amplia variedad de aplicaciones que se usan comúnmente para detectar proximidad, velocidad, corriente y posición.

Esto se debe a que es posible construir o construir sensores de efecto Hall en circuitos integrados (Ic) con circuitos de procesamiento de señales auxiliares en la misma matriz de silicio.

Debido a ventajas como tamaño reducido, robustez, facilidad de uso y costo Los sensores de efecto Hall integrados son preferidos para muchas aplicaciones de medición magnética.

Algunas de las áreas de aplicación donde se usan estos transductores de efecto Hall son; en control industrial como codificadores, sensores de velocidad y sensores de fin de viaje, en computadoras como sensores de índice de unidad de disco y conmutación para ventiladores sin escobillas, en automóviles como sistema de frenos antibloqueo (ABS) y sincronización de encendido, en dispositivos de consumo como equipos de ejercicio, etc..

 Hall-Sensores de efecto

Hall-Effect Sensors

Tabla de contenido

  • Teoría del efecto Hall
  • Sensores de efecto Hall
  • Sensores de circuito integrado (IC) de efecto Hall
  • Tipos de sensores de efecto Hall
    • Analog Hall-Effect Senso rs
    • Sensores de efecto Hall de salida digital
  • Aplicaciones de los transductores de efecto Hall
    • Sensores de posición
    • Medición de flujo
    • Medición de nivel de líquido
    • Sensores de RPM
    • Sensores de motor DC sin escobillas
    • Sensores de corriente
    • Temperatura o Sensores de presión

Teoría del efecto Hall

El efecto Hall es descubierto experimentalmente por Edwin Hall en 1879 en la Universidad John Hopkins. Con los instrumentos disponibles en ese momento, los voltajes obtenidos de los materiales eran extremadamente bajos (en el orden de los microvoltios) de la naturaleza sutil del experimento.

Y, por lo tanto, no fue posible utilizarlo con efecto Hall, fuera del laboratorio fue posible hasta el desarrollo de materiales adecuados. El desarrollo de materiales semiconductores permitió la fabricación de transductores de alta calidad para las aplicaciones prácticas del efecto Hall.

El efecto Hall es la generación de voltaje a través de los bordes opuestos del conductor portador de corriente que se coloca en un campo magnético.

Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor colocado en un campo magnético, se desarrolla una diferencia de potencial a través del conductor en una dirección perpendicular tanto al campo magnético como a la corriente y su magnitud es proporcional al campo actual y al campo magnético.

Esto se conoce como efecto Hall y es la base de muchos instrumentos y dispositivos de medición de campo magnético.

Considere la configuración simple para ilustrar el Hall-efecto que se muestra a continuación. Un material conductor o placa es suministrado por una batería tal que una corriente I fluye a través de él. Un par de sondas de un voltímetro están conectadas a los lados de las placas de forma tal que el voltaje medido es cero en ausencia de campo magnético.

Cuando se aplica un campo magnético a la placa de modo que quede en ángulo recto para el flujo de corriente, aparece una pequeña tensión para la distribución de corriente en el conductor. Esta fuerza actúa sobre la corriente y apila la corriente hacia un lado del cable o conductor, lo que da como resultado una diferencia de potencial en todo el conductor.

Si la polaridad del campo magnético se invierte, entonces también se aplica el voltaje inducido. invertido a través del plato. Este fenómeno es el efecto Hall.

 Teoría del efecto Hall

El efecto Hall se basa en la interacción entre el campo magnético externo y los portadores de carga en movimiento. Una fuerza lateral que actúa sobre electrones móviles a través de un campo magnético se da como

F = qvB

Donde B es la densidad de flujo magnético, v es la velocidad de los electrones yq es una carga de electrones. Considere la figura anterior en la que el campo magnético desvía el movimiento de las cargas. Una tira conductora plana se coloca en un campo magnético y los contactos adicionales de la tira en los lados izquierdo y derecho se conectan al voltímetro.

Los terminales inferior y superior de la tira se conectan a la fuente de suministro eléctrico. Debido a la presencia de flujo magnético, los electrones en movimiento se desplazan hacia el lado derecho de la tira mediante la fuerza de desviación. Esto resulta más negativo en el lado derecho que en el izquierdo y, por lo tanto, existe una diferencia de potencial.

Este voltaje se denomina voltaje Hall cuya magnitud y dirección dependen tanto de la magnitud como de la dirección de la corriente eléctrica y del campo magnético. El voltaje Hall se da como

VH = HIB sinα

Donde h es el coeficiente de sensibilidad global, que depende del material de la placa, la temperatura y su geometría, α es el ángulo entre el vector de campo magnético y la placa Hall e I es la densidad de corriente.

La sensibilidad general depende del coeficiente de Hall, que es el gradiente de potencial eléctrico transversal por unidad de densidad de corriente por unidad de intensidad de campo magnético. Por lo tanto, el coeficiente de Hall se da como

H = 1/Ncq

Donde c es la velocidad de la luz, N es el número de electrones por unidad de volumen.

Sensores de efecto Hall

La mayoría de los sensores utilizan el efecto Hall para detectar la presencia de campos magnéticos, tales los sensores se llaman sensores de efecto Hall. El elemento básico de un sensor magnético es el elemento Hall. Estos sensores generalmente se embalan en una carcasa de cuatro terminales en la que dos terminales son terminales de control y otros dos terminales de salida diferencial.

La corriente de control se aplica en los terminales de control mientras que la salida se observa en el diferencial terminales de salida. Un sensor de efecto Hall básico convierte el campo magnético en señal eléctrica.

Un sistema magnético convierte las cantidades físicas como posición, velocidad, corriente, temperatura, etc. en un campo magnético que a su vez puede ser detectado por Sensores de efecto Hall.

 Sensor de efecto Hall básico

Los sensores de efecto Hall están fabricados de material de silicio y se clasifican principalmente en dos tipos, a saber, sensores básicos y sensores integrados. El coeficiente de Hall y la densidad de corriente del elemento activo son los dos parámetros importantes que deben considerarse al fabricar los sensores de efecto Hall para producir un alto voltaje de salida.

Así, un alto coeficiente de Hall y baja resistencia son los dos requisitos importantes del elemento Hall. Algunos de los materiales utilizados para la fabricación de elementos en estos sensores incluyen InSb, Ge, InAs y GaAs.

Sensores de circuito integrado de efecto Hall (IC)

La tecnología integrada se combina con el principio de efecto Hall para producir los interruptores IC de efecto Hall. En comparación con los sensores optoelectrónicos o inductivos, los IC de efecto Hall son más efectivos, menos costosos y más eficientes.

Este tipo de sensor es un chip de circuito integrado único en el que varios componentes como amplificadores de señal, Hall-generadores de tensión y circuitos de disparo Schmitt están construidos. Estos circuitos integrados detectan el cambio en la intensidad del campo magnético de un material ferromagnético, o un imán permanente, o un electroimán con polarización magnética aplicada.

Estos CI se utilizan en diversas aplicaciones como control de alineación, control de velocidad, sistemas de encendido, finales de carrera mecánicos, máquinas herramientas, computadoras, teclados, botones, sistemas de seguridad, etc.

 Sensores de circuito integrado (IC) de efecto Hall

Estos Los circuitos integrados se fabrican utilizando la tecnología de silicio-CMOS en diversas configuraciones. La figura anterior muestra el IC del sensor de efecto Hall del paquete de 4 pines. Del total de 4 pines, 2 pines están conectados a la fuente de voltaje constante y otros dos están conectados al voltímetro.

La disposición de la conexión se muestra en la figura a continuación. Cuando el campo magnético está ausente, el voltaje medido a través de la hoja es insignificante.

Cuando el campo magnético se aplica al sensor de efecto Hall polarizado de tal manera que las líneas de flujo son ángulos rectos con respecto a la corriente que fluye a través del elemento Hall, entonces el voltaje se produce en los terminales de salida de Hall IC con una magnitud proporcional a la intensidad del campo magnético.

 Conexión IC del sensor de efecto Hall

Tipos de sensores de efecto Hall

Los sensores de efecto Hall necesitan un circuito de acondicionamiento de señal para hacer que su salida sea utilizable para r muchas otras aplicaciones. Este circuito de condición de señal realiza la amplificación, regulación de voltaje, compensación de temperatura, linealidad, etc. Principalmente hay dos tipos de sensores de efecto Hall, a saber, sensores analógicos y bi-nivel.

Sensores analógicos de efecto Hall

Estos sensores operar en un rango de voltaje más amplio y también estable en entornos ruidosos en comparación con un sensor Hall básico. La figura a continuación muestra el dispositivo de efecto Hall de salida analógica que produce la tensión analógica proporcional al campo magnético al que está expuesta.

El amplificador está provisto de una desviación o desplazamiento fijo para que cuando el campo magnético está ausente que el voltaje de polarización aparece en la salida que se considera voltaje nulo. El campo magnético puede ser positivo o negativo en el elemento Hall.

Por lo tanto, la tensión de salida aumenta por encima del valor nulo cuando se detecta el campo magnético positivo, mientras que la salida disminuye por debajo del valor nulo cuando el campo magnético negativo se detecta.

Con estos sensores, la tensión de salida está dentro de los límites que impone la fuente de alimentación, por lo tanto, antes de alcanzar los límites de la fuente de alimentación, el amplificador comenzará a saturarse como se muestra en la figura.

Debe notarse que la saturación ocurre en el amplificador, pero no en el elemento Hall, por lo tanto, no hay daños en los sensores de efecto Hall de los campos magnéticos más grandes.

Además, estos sensores no son completamente lineales con respecto al campo magnético y, por lo tanto, necesitan una calibración adecuada para mediciones de alta precisión. Además, al agregar transistor push-pull, open-collector o open emitter a la salida del amplificador diferencial, la flexibilidad de interfaz del dispositivo aumenta.

 Sensores analógicos de efecto Hall

Sensores de efecto Hall de salida digital

La salida de estos sensores tiene dos niveles: ON u OFF. Estos sensores también se llaman sensores de dos niveles. Además, el amplificador contiene el disparador Schmitt con una histéresis incorporada del nivel de umbral. Esta disposición del disparador Schmitt convierte la señal analógica a la salida digital comparando la salida del amplificador diferencial con la referencia fija.

Por lo tanto, cuando la salida del amplificador diferencial es mayor que la referencia o el valor preestablecido, el disparador Schmitt se activa mientras está cayendo por debajo del valor de referencia, el disparador Schmitt se APAGA.

La señal de salida de dos niveles como función del campo magnético se muestra en la figura. En esto, la histéresis elimina las oscilaciones evitables al introducir la zona de banda muerta en la que la acción se desactiva después de que ha pasado la referencia o el valor preestablecido.

Sensores de efecto Hall de salida digital

Aplicaciones de Transductores de efecto Hall

Depende de la aplicación, los sensores de efecto Hall se construyen en varias configuraciones. Estos son dispositivos de medición muy populares utilizados en diversos campos de aplicaciones como control de procesos industriales, biomédica, automóviles, telecomunicaciones, cajeros automáticos, etc.

Estos son ampliamente utilizados como sensores de posición, medición de nivel de líquido, interruptores de límite y medición de flujo Algunos de los dispositivos funcionan en función del efecto Hall, como los sensores de corriente de efecto Hall, los interruptores de paletas Hall-effect y los sensores de intensidad de campo magnético Hall-effect. Algunas de las aplicaciones de los transductores de efecto Hall se describen a continuación.

Sensores de posición

Los sensores de efecto Hall se utilizan para detectar el movimiento deslizante. En este tipo de sensores, habrá un espacio muy controlado entre el elemento del pasillo y el imán, como se muestra en la figura.

A medida que el imán se mueve hacia adelante y hacia atrás en un espacio fijo, el campo magnético inducido variará. Este campo será negativo cuando el elemento se acerque al Polo Norte y sea positivo mientras se acerca al Polo Sur.

 Sensores de posición

Estos sensores también se denominan sensores de proximidad que se utilizan para un posicionamiento preciso. La figura a continuación muestra cuatro sensores bipolares de salida digital que están enroscados en una carcasa de aluminio y son accionados por un imán montado en una varilla.

Estos sensores generan las señales cuando el imán se mueve en límites dimensionales aceptables. Desde una superficie de referencia, estas señales representan las distancias medidas. Este tipo de disposición también se denomina detección de posición múltiple. El mejor ejemplo de dicha aplicación es la detección de varias posiciones de lentes para equipos de procesamiento de fotografías.

 Sensores de proximidad

Medición de flujo

La figura siguiente muestra el sensor de efecto Hall utilizado para medir el flujo. La cámara está provista de aberturas de entrada y salida de fluido a través de las cuales fluye el fluido. Una paleta accionada por resorte con una disposición de eje roscado mueve el conjunto magnético de un lado a otro hacia el imán Hall.

A medida que el caudal aumenta a través de la cámara, la paleta accionada por resorte gira el eje roscado. Por lo tanto, el conjunto magnético se eleva hacia arriba a medida que el eje gira y, por lo tanto, el transductor se energiza.

Cuando la velocidad del flujo disminuye, la bobina de resorte hace que el conjunto magnético baje. Por lo tanto, la salida del transductor se reduce. Toda esta disposición está calibrada de forma tal que habrá una relación lineal entre la tensión medida y la velocidad de flujo.

 Flujo de medición de flujo

Medición del nivel de líquido

En este método, el sensor de efecto Hall se usa para determinar la altura de un flotador, por lo tanto, el nivel del líquido en el tanque se mide La figura siguiente ilustra una disposición de flotador y elemento de efecto Hall o sensor IC en un tanque. El flotador está conectado con un imán de modo que su actuación varía la distancia del campo magnético lejos o cerca del elemento Hall.

 Medición del nivel de líquido

A medida que el nivel del líquido sube, el imán se acerca al sensor y, por lo tanto, el voltaje de salida aumenta, mientras que esta tensión disminuye cuando el nivel de líquido baja. Por lo tanto, este sistema proporciona la medición de nivel de líquido simple sin conexiones eléctricas dentro del tanque.

Sensores de RPM

La velocidad o la detección de RPM es la aplicación más común del sensor de efecto Hall. En la detección de velocidad, un sensor de efecto Hall se coloca estacionario de tal manera que se enfrenta al imán giratorio. Este imán rotativo produce el campo magnético requerido para operar el sensor o el elemento Hall.

La disposición del imán giratorio puede depender de la conveniencia de la aplicación. Algunas de estas disposiciones son el montaje de imanes individuales en el eje o cubo o mediante el uso de un imán de anillo. El sensor Hall da pulsos de salida cada vez que mira al imán.

Además, estos impulsos son controlados por los procesadores para determinar y mostrar la velocidad en RPM. Estos sensores pueden ser sensores de salida análogos digitales o lineales.

 Sensores de RPM

Sensores del motor de CC sin escobillas

La distribución de energía del motor de CC sin escobillas se controla mediante la conmutación electrónica en lugar de la conmutación mecánica. Tres sensores de efecto Bipolar Hall digitales se colocan en un extremo del estator cerca de las caras polares del rotor para realizar la conmutación electrónica.

Para operar estos sensores, los materiales de imanes permanentes se montan en el eje del rotor. Estos sensores miden la posición del imán giratorio para que determine cuándo se debe aplicar la corriente a la corriente a las bobinas del motor para hacer que los imanes giren en la dirección correcta.

La información detectada por el Hall-los sensores de efecto alimentan a un circuito lógico que codifica adicionalmente esta información y controla el circuito de accionamiento. Este tipo de mecanismo de retroalimentación ofrecido por sensores de efecto Hall para medir la velocidad y la posición del rotor utilizado para muchas aplicaciones de control de motor BLDC debido a una mayor flexibilidad.

 Sensores del motor DC sin escobillas

Sensores de corriente

Hall-los sensores de corriente de efecto se usan para medir las corrientes de CA y CC. Al utilizar el sensor de efecto Hall analógico lineal, es posible medir la corriente que oscila entre 250 mA y miles de amperios.

Esta tensión de salida analógica aislada se digitaliza aún más; nivel desplazado y temperatura compensada mediante la adición de amplificadores.

Un conductor portador de corriente siempre rodeado por el campo magnético y por lo tanto se coloca un sensor lineal de efecto Hall cerca de este campo, luego se desarrolla una tensión en el terminal de salida de el sensor como se muestra en la figura. Este voltaje es proporcional a la intensidad del campo magnético alrededor del conductor.

 Sensores actuales

Se puede obtener un dispositivo de detección de corriente aislada más sensible y muy eficiente mediante el uso de sensores de efecto Hall junto con un electroimán. Esta disposición consiste en un núcleo toroidal de ferrita ranurada con un sensor IC de efecto Hall colocado en el espacio.

El sensor está encerrado por el núcleo y, por lo tanto, el núcleo actúa como un concentrador de flujo, ya que enfoca el campo hacia la ubicación donde se coloca el elemento Hall como se muestra en la figura.

Al variar el número de vueltas en el núcleo, es posible con este sensor medir entre unos pocos amperes y miles de amperios. La tensión de salida del sensor de efecto Hall es proporcional a la corriente que circula por los bobinados y, por lo tanto, a la medición de corriente.

 Hall effect Sensor de corriente

Sensores de temperatura o presión

Los sensores de efecto Hall también se pueden usar como presión y temperatura Estos sensores están incorporados con un diafragma de presión desviada con imanes apropiados. Un conjunto magnético de un fuelle acciona de un lado a otro el elemento de efecto Hall.

En caso de medición de presión, los fuelles están sujetos a la expansión y contracción. La variación del fuelle hace que el conjunto magnético se mueva cerca del elemento Hall-effect. De ahí la tensión de salida producida proporcional a la presión aplicada.

En el caso de la medición de temperatura, el conjunto de fuelles se sella con un gas con propiedades conocidas de expansión térmica. Cuando la cámara se calienta, el gas dentro del fuelle se expande. Esto hace que se produzca un voltaje del sensor proporcional a la temperatura.

 Sensores de temperatura o presión

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