El sensor de efecto Hall (o simplemente sensor Hall ) es un transductor de medición para medir la magnitud de un campo magnético. El principio de funcionamiento del sensor se basa en el efecto Hall y su tensión inicial es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético [1] . Este fenómeno fue descubierto por el físico estadounidense Edwin Hall en 1879.
Los sensores de efecto Hall se utilizan para detección sin contacto, posicionamiento, detección de velocidad y detección de corriente [2] .
A menudo, un sensor de pasillo se combina con la detección de umbral y actúa como un interruptor y se denomina interruptor de pasillo. Se encuentran comúnmente en aplicaciones industriales como el cilindro neumático que se muestra en la imagen, también se utilizan en equipos de consumo; por ejemplo, algunas impresoras de computadora los usan para detectar papel faltante y cubiertas abiertas. También se pueden usar en teclados de computadora, una aplicación que requiere una confiabilidad ultra alta. Otro uso del sensor de efecto Hall es en la creación de pedaleras de órgano MIDI, donde el movimiento de una "tecla" en la pedalera se traduce como un interruptor de encendido/apagado para los sensores de efecto Hall.
Los sensores Hall se usan comúnmente para medir la velocidad de rotación de las ruedas y los ejes , como el tiempo de encendido de un motor de combustión interna, tacómetros y sistemas de frenos antibloqueo. Se utilizan en motores de CC para detectar la posición de un imán permanente. En la rueda ilustrada con dos imanes espaciados de manera idéntica, el voltaje del sensor alcanza su punto máximo en un factor de dos por revolución. Este esquema se usa comúnmente para controlar la velocidad de las unidades de disco.
Los sensores Hall se utilizan a menudo como magnetómetros , es decir, para medir campos magnéticos o inspeccionar materiales (como tuberías o conductos) utilizando los principios de fuga de flujo magnético .
Los dispositivos de efecto Hall producen niveles de señal muy bajos y, por lo tanto, requieren amplificación. Aunque los amplificadores de válvulas de la primera mitad del siglo XX eran adecuados para la instrumentación de laboratorio, eran demasiado caros, consumían mucha energía y no eran confiables para el uso diario. Solo con el desarrollo de un circuito integrado económico, el sensor de efecto Hall se volvió adecuado para la aplicación masiva. Muchos dispositivos que ahora se venden como sensores de efecto Hall en realidad contienen tanto el sensor como se describe arriba como un amplificador de circuito integrado (IC) de alta ganancia en el mismo paquete. Los avances recientes han agregado un convertidor A/D e I²C (protocolo de comunicación de circuito integrado) en el mismo paquete para la conexión directa a un puerto de E/S del microcontrolador .
Los dispositivos de efecto Hall (cuando se empaquetan correctamente) son inmunes al polvo, la suciedad y el agua. Estas características hacen que los dispositivos de efecto Hall sean mejores para la determinación de la posición que los medios alternativos, como las mediciones ópticas y electromecánicas.
Cuando los electrones pasan a través de un conductor, se crea un campo magnético. Por lo tanto, es posible crear un sensor de corriente sin contacto. El dispositivo tiene tres terminales. El voltaje del sensor se aplica a dos terminales y el tercero proporciona un voltaje proporcional a la corriente medida. Esto tiene varias ventajas: no se necesita resistencia adicional (se requiere derivación para el método más común de medición de corriente) en el circuito primario. Además, la tensión presente en la línea a medir no se transmite al sensor, lo que aumenta la seguridad del equipo de medida.
El flujo magnético del entorno (como otros cables) puede disminuir o aumentar el campo que el sensor Hall pretende medir, lo que hace que los resultados sean inexactos.
Los métodos para medir posiciones mecánicas en un sistema electromagnético, como un motor de CC sin escobillas, incluyen (1) el efecto Hall, (2) un codificador óptico (como codificadores absolutos e incrementales ) y (3) un voltaje inducido al mover un núcleo metálico. insertado en un transformador. Cuando se compara el efecto Hall con métodos fotosensibles, es más difícil obtener un valor absoluto con Hall. Las medidas de Hall también son sensibles a los campos magnéticos parásitos.
Los sensores de efecto Hall están disponibles de varios fabricantes diferentes y se pueden usar en una variedad de sensores, como sensores de velocidad de rotación (ruedas de bicicleta, dientes de engranajes, velocímetros de automóviles, sistemas de encendido electrónico), sensores de flujo de fluidos , sensores de corriente y sensores de presión . . Las aplicaciones comunes a menudo se encuentran donde se requiere un interruptor o potenciómetro resistente y sin contacto. Estos incluyen: pistolas eléctricas de airsoft , gatillos electroneumáticos de pistolas de paintball , controladores de velocidad de karts, teléfonos inteligentes y algunos sistemas de posicionamiento global.
Convertidor de corriente con un toroide de ferrita en el efecto HallLos sensores Hall pueden detectar fácilmente campos magnéticos dispersos, incluidos los campos magnéticos de la Tierra, por lo que funcionan bien como brújulas electrónicas: pero esto también significa que dichos campos dispersos pueden impedir mediciones precisas de campos magnéticos pequeños. Para resolver este problema, los sensores Hall a menudo se integran con algún tipo de escudo magnético. Por ejemplo, un sensor Hall integrado en un anillo de ferrita (como se muestra) puede reducir la detección de campos dispersos en un factor de 100 o más (porque los campos magnéticos externos se anulan en el anillo y no generan flujo magnético residual ). Esta configuración también proporciona una relación señal-ruido y efectos de deriva 20 veces mejores que un dispositivo Hall sin recubrimiento.
El rango de este sensor pasante se puede ampliar hacia arriba y hacia abajo con el cableado adecuado. Para extender el rango a corrientes más bajas, se pueden hacer varias vueltas de cable conductor de corriente a través del orificio, cada vuelta agregando la misma cantidad a la salida del sensor; al instalar el sensor en una placa de circuito impreso, los giros se pueden realizar con soportes en la placa. Para extender el rango a corrientes más altas, se puede usar un divisor de corriente. El divisor divide la corriente en dos cables de diferentes anchos, y el cable más delgado, que transporta una parte más pequeña de la corriente total, pasa a través del sensor.
Sensor de anillo divididoEl sensor de anillo Hall se utiliza en pinzas amperimétricas . El dispositivo de medición está fijo en la línea, lo que permite el uso del dispositivo en equipos de prueba. Cuando se utiliza en una instalación fija, este método permite comprobar la corriente eléctrica sin desmontar el circuito existente.
Multiplicación analógicaLa señal de salida es proporcional al campo magnético aplicado y al voltaje del sensor aplicado. Si un solenoide aplica un campo magnético, la salida del sensor es proporcional al producto de la corriente a través del solenoide y el voltaje del sensor. Dado que la mayoría de las aplicaciones computacionales actualmente son realizadas por pequeñas computadoras digitales , una aplicación restante útil es la medición de potencia en un solo dispositivo de efecto Hall que combina la medición de corriente con la medición de voltaje.
Medida de potenciaAl medir la corriente suministrada a la carga y usar el voltaje aplicado al dispositivo, se puede determinar la potencia disipada por el dispositivo.
Determinación de posición y movimientoLos dispositivos de efecto Hall utilizados en sensores de movimiento e interruptores de límite de movimiento pueden proporcionar una mayor confiabilidad en condiciones extremas. Dado que no hay partes móviles dentro del sensor o imán, la esperanza de vida típica aumenta en comparación con los interruptores electromecánicos tradicionales. Además, el sensor y el imán se pueden encerrar en un material protector apropiado. Esta aplicación se utiliza en el motor de corriente continua sin escobillas .
Los sensores de efecto Hall conectados a captadores mecánicos que tienen agujas indicadoras magnetizadas pueden convertir la posición física o la orientación de la aguja indicadora mecánica en una señal eléctrica que pueden usar los indicadores, controles o dispositivos de comunicación electrónicos [3] .
Encendido automotriz e inyección de combustibleComúnmente utilizado en distribuidores para determinar la sincronización del encendido y en algunos tipos de sensores de posición del cigüeñal y del árbol de levas para determinar la sincronización del pulso de inyección, medir la velocidad, etc. El sensor de efecto Hall se usa como reemplazo directo de los puntos de ruptura mecánicos que se usaban en aplicaciones automotrices anteriores. Su uso como dispositivo para ajustar el tiempo de encendido en distribuidores de varios tipos es el siguiente. Un imán permanente estacionario y un chip semiconductor de efecto Hall están montados uno al lado del otro y separados por un espacio de aire para formar un sensor de efecto Hall. Un rotor de metal, que consta de ventanas y protuberancias, se monta en un eje y se ubica de modo que, durante la rotación del eje, las ventanas y las protuberancias pasen a través del espacio de aire entre el imán permanente y el cristal semiconductor de Hall. Esto protege y expone efectivamente el chip Hall a un campo de imán permanente dependiendo de si la pestaña o la ventana pasan a través del sensor Hall. Para determinar el tiempo de encendido, el rotor de metal tendrá una serie de protuberancias y ventanas del mismo tamaño correspondiente al número de cilindros del motor. Esto da una salida de onda cuadrada uniforme porque los tiempos de encendido y apagado (blindaje y exposición) son los mismos. Esta señal es utilizada por la computadora del motor o la ECU para controlar el tiempo de encendido. Muchos sensores de efecto Hall automotrices tienen un transistor NPN de emisor de tierra de colector abierto interno , lo que significa que en lugar de que se genere voltaje en el cable de salida de señal del sensor de efecto Hall, el transistor se enciende, proporcionando un circuito a tierra a través del cable de salida de señal.
Determinación de la velocidad de la ruedaSe ha encontrado una aplicación importante del sensor Hall en los sistemas de frenos antibloqueo . Los principios de funcionamiento de tales sistemas se han ampliado y perfeccionado para ofrecer más posibilidades que la función antideslizante. Ahora proporcionan mejoras avanzadas en el manejo del vehículo.
Control de motoresAlgunos tipos de motores BLDC utilizan sensores de efecto Hall para determinar la posición del rotor y transmitir esta información al controlador del motor. Esto mejora la precisión del control del motor.
Aplicaciones industrialesLas aplicaciones de efecto Hall también se han extendido a aplicaciones industriales que ahora usan joysticks de efecto Hall para controlar válvulas hidráulicas, reemplazando las palancas mecánicas tradicionales con un sensor de proximidad. Dichas aplicaciones incluyen camiones mineros, retroexcavadoras, grúas, excavadoras, elevadores de tijera, etc.