Un sensor de efecto Hall (también conocido como sensor Hall o sonda Hall ) es cualquier sensor que incorpora uno o más elementos Hall, cada uno de los cuales produce un voltaje proporcional a un componente axial del vector de campo magnético B utilizando el efecto Hall (llamado así por el físico Edwin Hall ).
Los sensores Hall se utilizan para detección de proximidad , posicionamiento , detección de velocidad y aplicaciones de detección de corriente [1] y son comunes en aplicaciones industriales y de consumo. Cientos de millones de circuitos integrados (CI) de sensores Hall se venden cada año [2] por unos 50 fabricantes, y el mercado global ronda los mil millones de dólares . [3]
En un sensor Hall, se aplica una corriente de polarización de CC fija [4] a lo largo de un eje a través de una tira delgada de metal llamada transductor de elemento Hall . Los electrodos de detección en lados opuestos del elemento Hall a lo largo de otro eje miden la diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ) a lo largo del eje de los electrodos. Los portadores de carga de la corriente son desviados por la fuerza de Lorentz en presencia de un campo magnético perpendicular a su flujo. Los electrodos de detección miden la diferencia de potencial (el voltaje Hall) proporcional al componente axial del campo magnético que es perpendicular tanto al eje de la corriente como al eje de los electrodos de detección. [5]
Los sensores de efecto Hall responden tanto a campos magnéticos estáticos como a campos cambiantes. ( Los sensores inductivos , por el contrario, sólo responden a cambios en los campos).
Los dispositivos de efecto Hall producen un nivel de señal muy bajo y, por lo tanto, requieren amplificación. La tecnología de amplificadores de tubo de vacío disponible en la primera mitad del siglo XX era demasiado grande, costosa y consumía mucha energía para las aplicaciones cotidianas de sensores de efecto Hall, que se limitaban a los instrumentos de laboratorio. Incluso la tecnología de transistores de primera generación no era adecuada; fue solo con el desarrollo de la microtecnología de circuitos integrados (CI) basada en chips de silicio de bajo costo que el sensor de efecto Hall se volvió adecuado para aplicaciones masivas. Los dispositivos que se venden como sensores Hall en la actualidad contienen tanto el sensor como se describió anteriormente y un amplificador de CI de alta ganancia en un solo paquete. Estos CI de sensores Hall pueden agregar un regulador de voltaje estable además del amplificador para permitir el funcionamiento en un amplio rango de voltaje de suministro y aumentar el voltaje Hall para una salida de señal analógica conveniente proporcional al componente del campo magnético. [4] En algunos casos, el circuito lineal puede cancelar el voltaje de compensación de los sensores Hall. Además, la modulación de CA de la corriente de activación también puede reducir la influencia de este voltaje de compensación.
Los sensores Hall se denominan lineales si su salida es proporcional a la intensidad del campo magnético incidente. Esta señal de salida puede ser un voltaje analógico , una señal de modulación por ancho de pulso (PWM) o comunicarse digitalmente a través de un protocolo de bus moderno . [6] Los sensores Hall también pueden ser radiométricos si su sensibilidad también es proporcional a su voltaje de suministro. Sin campo magnético aplicado, su voltaje de salida en reposo es típicamente la mitad del voltaje de suministro. [7] Pueden tener salida de riel a riel (por ejemplo, A1302). [8]
Si bien el elemento Hall es un dispositivo analógico , los circuitos integrados de interruptor Hall a menudo incorporan además circuitos de detección de umbral para formar un interruptor electrónico que tiene dos estados (encendido y apagado) que emiten una señal digital binaria .
Sus salidas pueden ser transistores NPN de colector abierto (o MOSFET de tipo n de drenaje abierto ) para compatibilidad con circuitos integrados que utilizan diferentes voltajes de suministro. [4] En lugar de producir un voltaje en el cable de salida de señal del sensor Hall, se enciende un transistor de salida, lo que proporciona un circuito a tierra a través del cable de salida de señal.
Se puede aplicar un filtrado de activación Schmitt (o integrarlo en el CI) para proporcionar una salida digital limpia que sea resistente al ruido del sensor. Los umbrales de histéresis para la conmutación (especificados como B OP y B RP ) categorizan los CI Hall digitales como interruptores unipolares [9] , interruptores omnipolares [10] o interruptores bipolares [11] , que a veces se pueden llamar pestillos [12] . Unipolar (por ejemplo, A3144) [13] se refiere a tener umbrales de conmutación en solo una polaridad del campo magnético. Los interruptores omnipolares tienen dos conjuntos de umbrales de conmutación, tanto para polaridades positivas como negativas, y por lo tanto funcionan alternativamente con un campo magnético positivo o negativo fuerte.
Los interruptores bipolares tienen un B OP positivo y un B RP negativo (y por lo tanto requieren campos magnéticos positivos y negativos para funcionar). La diferencia entre B OP y B RP tiende a ser mayor para los interruptores bipolares descritos como pestillos, que permanecen en un estado durante mucho más tiempo (es decir, se enganchan en su último valor) y requieren una mayor intensidad de campo para cambiar de estado que los interruptores bipolares. La distinción de nombres entre "bipolar" y "pestillo" puede ser un poco arbitraria, por ejemplo, la hoja de datos del Honeywell SS41F lo describe como "bipolar", mientras que otro fabricante describe su SS41F [14] con especificaciones comparables como un "pestillo".
Los elementos Hall miden únicamente el componente del eje de detección del vector del campo magnético. Debido a que ese componente axial puede ser positivo o negativo, algunos sensores Hall pueden detectar la dirección binaria del componente axial además de su magnitud. Se debe incorporar un elemento Hall adicional orientado perpendicularmente (por ejemplo, en § Circuitos integrados de sensores Hall duales) para determinar una dirección 2D, y se debe agregar otro elemento Hall orientado perpendicularmente para detectar los componentes 3D completos del vector del campo magnético.
Debido a que los circuitos integrados de sensores Hall son dispositivos de estado sólido , no son propensos al desgaste mecánico. Por lo tanto, pueden funcionar a velocidades mucho más altas que los sensores mecánicos y su vida útil no está limitada por fallas mecánicas (a diferencia de los potenciómetros , interruptores de láminas electromecánicos , [15] relés u otros interruptores y sensores mecánicos). Sin embargo, los sensores Hall pueden ser propensos a la deriva térmica debido a cambios en las condiciones ambientales y a la deriva temporal durante la vida útil del sensor. [16]
Los dispositivos de efecto Hall (cuando están debidamente embalados) son inmunes al polvo, la suciedad, el barro y el agua. Estas características hacen que los dispositivos de efecto Hall sean mejores para la detección de posición que otros medios alternativos, como la detección óptica y electromecánica.
El ancho de banda de los sensores Hall prácticos está limitado a cientos de kilohercios , y los de silicio comerciales suelen estar limitados a 10-100 kHz. A fecha de 2016 [actualizar], el sensor Hall más rápido disponible en el mercado tiene un ancho de banda de 1 MHz, pero utiliza semiconductores no estándar. [17]
El flujo magnético del entorno (por ejemplo, otros cables) puede disminuir o aumentar el campo que la sonda Hall intenta detectar, lo que hace que los resultados sean inexactos. Los sensores Hall pueden detectar fácilmente campos magnéticos dispersos, incluido el de la Tierra, por lo que funcionan bien como brújulas electrónicas; pero esto también significa que dichos campos dispersos pueden dificultar las mediciones precisas de campos magnéticos pequeños. Para resolver este problema, los sensores Hall suelen integrarse con algún tipo de protección magnética.
En cambio, las posiciones mecánicas dentro de un sistema electromagnético se pueden medir sin el efecto Hall utilizando codificadores de posición ópticos (por ejemplo, codificadores absolutos e incrementales ) y voltaje inducido al mover la cantidad de núcleo metálico insertado en un transformador . Cuando se compara Hall con los métodos fotosensibles, es más difícil obtener una posición absoluta con Hall.
Si bien un solo elemento Hall es susceptible a los campos magnéticos externos, una configuración diferencial de dos elementos Hall puede cancelar los campos parásitos de las mediciones, [18] de manera análoga a cómo se cancelan las señales de voltaje de modo común utilizando señalización diferencial .
Los siguientes materiales son especialmente adecuados para sensores de efecto Hall: [19]
Los sensores de efecto Hall se pueden utilizar en diversos sensores, como sensores de velocidad rotatoria (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 . Los sensores Hall se utilizan comúnmente para cronometrar la velocidad de ruedas y ejes (por ejemplo, Figura 1), como para el tiempo de encendido del motor de combustión interna , tacómetros y sistemas de frenos antibloqueo .
Las aplicaciones más comunes son aquellas en las que se requiere una alternativa robusta y sin contacto a un interruptor mecánico o potenciómetro. Entre ellas se incluyen: pistolas de airsoft eléctricas , gatillos de pistolas de paintball electroneumáticas , controles de velocidad de karts , teléfonos inteligentes y algunos sistemas de posicionamiento global.
Una de las aplicaciones industriales más comunes de los sensores Hall utilizados como interruptores binarios es la detección de posición (por ejemplo, la Figura 2).
Los sensores de efecto Hall se utilizan para detectar si la cubierta de un teléfono inteligente (que incluye un pequeño imán) está cerrada. [20]
Algunas impresoras de computadora utilizan sensores Hall para detectar papel faltante y tapas abiertas y algunas impresoras 3D los utilizan para medir el grosor del filamento.
Los sensores Hall se utilizan en algunos indicadores de nivel de combustible de automóviles detectando la posición de un elemento flotante en el tanque de combustible. [21]
Los sensores Hall fijados a medidores mecánicos que tienen agujas indicadoras magnetizadas pueden traducir la posición física o la orientación de la aguja indicadora mecánica en una señal eléctrica que puede ser utilizada por indicadores electrónicos, controles o dispositivos de comunicación. [22]
Los magnetómetros de efecto Hall (también llamados medidores de tesla o medidores de gauss) utilizan una sonda Hall [23] con un elemento Hall para medir campos magnéticos o inspeccionar materiales (como tuberías o conductos) utilizando los principios de fuga de flujo magnético . Una sonda Hall es un dispositivo que utiliza un sensor de efecto Hall calibrado para medir directamente la fuerza de un campo magnético. Dado que los campos magnéticos tienen una dirección y una magnitud, los resultados de una sonda Hall dependen de la orientación y la posición de la sonda.
Los sensores Hall se pueden utilizar para mediciones sin contacto de corriente continua en transformadores de corriente . En tal caso, el sensor Hall se monta en un hueco en el núcleo magnético alrededor del conductor de corriente. [24] Como resultado, se puede medir el flujo magnético de CC y se puede calcular la CC en el conductor.
Cuando los electrones fluyen a través de un conductor, se produce un campo magnético. De este modo, es posible crear un sensor de corriente sin contacto o amperímetros . El dispositivo tiene tres terminales. Se aplica una tensión del sensor a través de dos terminales y el tercero proporciona una tensión proporcional a la corriente que se detecta. Esto tiene varias ventajas; no es necesario insertar ninguna resistencia adicional (un shunt , necesario para el método de detección de corriente más común) en el circuito primario. Además, la tensión presente en la línea que se va a detectar no se transmite al sensor, lo que mejora la seguridad del equipo de medición.
La integración de un sensor Hall en un anillo de ferrita (como se muestra) concentra la densidad de flujo del campo magnético de la corriente a lo largo del anillo de ferrita y a través del sensor (porque el flujo fluye a través de la ferrita mucho mejor que a través del aire), [4] lo que reduce en gran medida la influencia relativa de los campos parásitos en un factor de 100 o más. Esta configuración también proporciona una mejora en la relación señal-ruido y los efectos de deriva de más de 20 veces la de un dispositivo Hall simple.
El rango de un sensor de paso de corriente dado también se puede ampliar hacia arriba y hacia abajo mediante un cableado adecuado. Para ampliar el rango a corrientes más bajas, se pueden hacer múltiples vueltas del cable que transporta corriente a través de la abertura, cada vuelta agregando a la salida del sensor la misma cantidad; cuando el sensor está instalado en una placa de circuito impreso, las vueltas se pueden realizar mediante una grapa en la placa. Para ampliar el rango a corrientes más altas, se puede utilizar un divisor de corriente. El divisor divide la corriente entre dos cables de diferentes anchos y el cable más delgado, que transporta una proporción menor de la corriente total, pasa a través del sensor.
Una variante del sensor de anillo utiliza un sensor dividido que se fija a la línea, lo que permite utilizar el dispositivo en un equipo de prueba temporal. Si se utiliza en una instalación permanente, un sensor dividido permite probar la corriente eléctrica sin desmontar el circuito existente.
La salida es proporcional tanto al campo magnético aplicado como al voltaje del sensor aplicado. Si el campo magnético se aplica mediante un solenoide, la salida del sensor es proporcional al producto de la corriente a través del solenoide y el voltaje del sensor. Como la mayoría de las aplicaciones que requieren computación ahora se realizan mediante pequeñas computadoras digitales , la aplicación útil restante es en la detección de potencia, que combina la detección de corriente con la detección de voltaje en un solo dispositivo de efecto Hall.
Al detectar la corriente suministrada a una carga y usar el voltaje aplicado al dispositivo como voltaje del sensor, es posible determinar la potencia disipada por un dispositivo para formar un vatímetro .
Los dispositivos de efecto Hall utilizados en la detección de movimiento y los interruptores de límite de movimiento pueden ofrecer una mayor confiabilidad en entornos extremos. Como no hay partes móviles involucradas dentro del sensor o imán, la expectativa de vida típica es mejor en comparación con los interruptores electromecánicos tradicionales. Además, el sensor y el imán pueden estar encapsulados en un material protector adecuado.
El sensor de efecto Hall, que se utiliza habitualmente en distribuidores para la sincronización del encendido (y en algunos tipos de sensores de posición del cigüeñal y del árbol de levas para la sincronización del pulso de inyección, detección de velocidad, etc.), se utiliza como reemplazo directo de los puntos de ruptura mecánicos utilizados en aplicaciones automotrices anteriores. Su uso como dispositivo de sincronización del encendido en varios tipos de distribuidores es el siguiente: un imán permanente estacionario y un chip semiconductor de efecto Hall se montan uno al lado del otro separados por un espacio de aire, formando el sensor de efecto Hall.
Un rotor de metal que consta de ventanas o lengüetas se monta en un eje y se dispone de manera que, durante la rotación del eje, las ventanas o lengüetas pasen a través del espacio de aire entre el imán permanente y el chip Hall semiconductor. Esto protege y expone eficazmente el chip Hall al campo del imán permanente, independientemente de si una pestaña o ventana pasa a través del sensor Hall. Para fines de sincronización del encendido, el rotor de metal tendrá varias ventanas o lengüetas de igual tamaño que coincidan con el número de cilindros del motor (la pestaña del cilindro n.° 1 siempre será única para que la unidad de control del motor la pueda discernir).
Esto produce una salida uniforme similar a una onda cuadrada , ya que el tiempo de protección y de exposición son iguales. La computadora del motor o ECU utiliza esta señal para controlar el tiempo de encendido.
La detección de la rotación de las ruedas es especialmente útil en los sistemas de frenos antibloqueo . Los principios de estos sistemas se han ampliado y perfeccionado para ofrecer más que funciones antiderrapantes, proporcionando ahora mejoras ampliadas en el manejo del vehículo.
Algunos tipos de motores eléctricos de CC sin escobillas utilizan sensores de efecto Hall para detectar la posición del rotor y enviar esa información al controlador del motor. Esto permite un control más preciso del motor. Los sensores Hall en los motores de CC sin escobillas de 3 o 4 pines detectan la posición del rotor y conmutan los transistores en la secuencia correcta. [25]
Un propulsor de efecto Hall (HET) es un dispositivo que se utiliza para propulsar algunas naves espaciales , después de que entran en órbita o se alejan más en el espacio. En el HET, los átomos se ionizan y aceleran mediante un campo eléctrico . Se utiliza un campo magnético radial establecido por imanes en el propulsor para atrapar electrones que luego orbitan y crean un campo eléctrico debido al efecto Hall. Se establece un gran potencial entre el extremo del propulsor donde se alimenta el propulsor neutro y la parte donde se producen los electrones; por lo tanto, los electrones atrapados en el campo magnético no pueden caer al potencial más bajo. Por lo tanto, son extremadamente energéticos, lo que significa que pueden ionizar átomos neutros. El propulsor neutro se bombea a la cámara y es ionizado por los electrones atrapados. Luego, los iones y electrones positivos se expulsan del propulsor como un plasma cuasineutral , lo que crea empuje. El empuje producido es extremadamente pequeño, con un caudal másico muy bajo y una velocidad de escape efectiva/impulso específico muy alto. Esto se consigue a costa de unos requisitos de potencia eléctrica muy elevados, del orden de 4 kW para unos pocos cientos de milinewtons de empuje.
Los circuitos integrados de sensores Hall a menudo integran electrónica digital. [26] Esto permite correcciones avanzadas a las características del sensor (por ejemplo, correcciones del coeficiente de temperatura), comunicación digital con sistemas de microprocesador y puede proporcionar interfaces para diagnósticos de entrada, protección contra fallas para condiciones transitorias y detección de cortocircuito/circuito abierto.
Algunos circuitos integrados de sensores Hall incluyen DSP , lo que puede permitir más técnicas de procesamiento directamente dentro del paquete del sensor. [1] : 167
Algunos circuitos integrados de sensores Hall integran un convertidor analógico a digital y un circuito integrado I2C (protocolo de comunicación de circuitos interintegrados) para la conexión directa al puerto de E/S de un microcontrolador . [27]
El microcontrolador ESP32 incluso tiene un sensor Hall integrado que hipotéticamente podría ser leído por el convertidor analógico-digital interno del microcontrolador , aunque no funciona. [28]
Los sensores Hall normalmente requieren al menos tres pines (para alimentación, tierra y salida). Sin embargo, los circuitos integrados de dos cables solo utilizan un pin de alimentación y tierra, y en su lugar comunican datos utilizando diferentes niveles de corriente. Varios circuitos integrados de dos cables pueden funcionar desde una única línea de alimentación, para reducir aún más el cableado. [29]
Los interruptores de efecto Hall para teclados de ordenador fueron desarrollados a finales de los años 1960 por Everett A. Vorthmann y Joseph T. Maupin en Honeywell . [30] Debido a los altos costes de fabricación, estos teclados solían reservarse para aplicaciones de alta fiabilidad, como las aeroespaciales y militares. A medida que los costes de producción en masa han disminuido, se han puesto a disposición cada vez más modelos de consumo.
También se pueden encontrar sensores de efecto Hall en algunos teclados para juegos de alto rendimiento (fabricados por empresas como SteelSeries , Wooting, Corsair ), y los interruptores en sí contienen imanes. [31]
Aunque Sega fue pionera en el uso de sensores de efecto Hall en su controlador Sega Saturn 3D [32] y el controlador estándar Dreamcast [33] desde la década de 1990, los sensores de efecto Hall solo comenzaron a ganar popularidad para su uso en controladores de juegos de consumo desde principios de la década de 2020, más notablemente en joysticks analógicos y mecanismos de disparo, [34] para una experiencia mejorada debido a sus mediciones de posición y movimiento sin contacto, de alta resolución y baja latencia y su vida útil más larga debido a la falta de partes mecánicas.
Las aplicaciones de la detección por efecto Hall también se han ampliado a las aplicaciones industriales, que ahora utilizan joysticks de efecto Hall para controlar válvulas hidráulicas, reemplazando las palancas mecánicas tradicionales por detección sin contacto. Dichas aplicaciones incluyen camiones mineros, retroexcavadoras, grúas, excavadoras, elevadores de tijera, etc.
Algunos circuitos integrados incluyen dos elementos Hall. Esto resulta útil para contar una serie de incrementos (un codificador incremental ) para crear un codificador lineal o rotatorio , en el que una disposición de imanes en movimiento o en rotación produce un patrón magnético alterno detectado como un patrón codificado en cuadratura . [4] Luego, ese patrón se puede decodificar para proporcionar tanto la velocidad como la dirección del movimiento o simplemente contar hacia arriba y hacia abajo para determinar la posición o el ángulo. (Cuando solo se utiliza un elemento Hall, no se puede determinar la dirección de los codificadores lineales o rotatorios). Los dos elementos colocados a una distancia precisa entre sí en la matriz pueden estar orientados en la misma dirección, [35] en cuyo caso el paso de polo a polo magnético debería ser idealmente dos veces el paso de elemento a elemento Hall. [4] Alternativamente, los elementos Hall pueden estar orientados a 90 grados para proporcionar detección en dos ejes. [36] [37]
Medios relacionados con los sensores Hall en Wikimedia Commons