Un sensor de efecto Hall (o un 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 B del campo magnético utilizando el efecto Hall (llamado así por el físico Edwin Hall ). .
Los sensores Hall se utilizan para aplicaciones de detección de proximidad , posicionamiento , detección de velocidad y detección de corriente [1] y son comunes en aplicaciones industriales y de consumo . Cada año , alrededor de 50 fabricantes venden cientos de millones de circuitos integrados (CI) de sensores Hall [2] , con un mercado global de alrededor de mil millones de dólares . [3]
En un sensor Hall, se aplica una corriente de polarización CC fija [4] a lo largo de un eje a través de una delgada tira de metal llamada transductor de elemento Hall . Los electrodos sensores en lados opuestos del elemento Hall a lo largo de otro eje miden la diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ) a través 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 sensores 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 sensores. [5]
Los sensores de efecto Hall responden a campos magnéticos estáticos y cambiantes. En cambio, los sensores inductivos sólo reaccionan a los cambios en los campos.
Los dispositivos de efecto Hall producen un nivel de señal muy bajo y, por tanto, requieren amplificación. Si bien eran adecuados para instrumentos de laboratorio, los amplificadores de válvulas de vacío disponibles en la primera mitad del siglo XX eran demasiado caros, consumían energía y no eran confiables para las aplicaciones cotidianas. Sólo con el desarrollo del circuito integrado de bajo costo el sensor de efecto Hall se volvió adecuado para aplicaciones masivas. Los dispositivos vendidos hoy en día como sensores Hall contienen tanto el sensor descrito anteriormente como un amplificador de circuito integrado (IC) de alta ganancia en un solo paquete. Estos circuitos integrados 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 impulsora 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 de ancho de pulso (PWM) o comunicarse digitalmente a través de un protocolo de bus moderno . [6] Los sensores Hall también pueden ser ratiométricos si su sensibilidad es también proporcional a su tensión de alimentación. Sin ningún campo magnético aplicado, su voltaje de salida en reposo suele sertensión de alimentación/2. [7] Pueden tener salida de carril a carril (por ejemplo, A1302). [8]
Si bien el elemento Hall es un dispositivo analógico , los circuitos integrados de interruptor Hall a menudo incorporan además un circuito 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 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, proporcionando un circuito a tierra a través del cable de salida de señal.
Se puede aplicar un filtrado de disparo Schmitt (o integrarlo en el IC) para proporcionar una salida digital limpia y resistente al ruido del sensor. Los umbrales de histéresis para la conmutación (especificados como BOP y BRP ) clasifican los circuitos integrados Hall digitales como interruptores unipolares, [9] interruptores omnipolares, [10] o interruptores bipolares, [11] que a veces pueden denominarse pestillos. [12] Unipolar (por ejemplo, A3144) [13] se refiere a tener umbrales de conmutación en una sola 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 con un fuerte campo magnético positivo y/o negativo.
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 mucho más tiempo (es decir, se fijan en su último valor) y requieren una intensidad de campo más significativa para cambiar de estado que la que requieren los interruptores bipolares. La distinción de denominación 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 "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 esa dirección binaria del componente axial además de su magnitud. Se debe incorporar un elemento Hall adicional orientado perpendicularmente (por ejemplo, en § CI de sensor Hall dual) 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 operar 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 sufrir variaciones térmicas debido a cambios en las condiciones ambientales y variaciones temporales durante la vida útil del sensor. [dieciséis]
Los dispositivos de efecto Hall (cuando están empaquetados adecuadamente) 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 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 partir 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 (como otros cables) puede disminuir o mejorar el campo que la sonda Hall pretende 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 mediciones precisas de campos magnéticos pequeños. Para resolver este problema, los sensores Hall suelen estar integrados con algún tipo de blindaje magnético.
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 moviendo la cantidad de núcleo metálico insertado en un transformador . Cuando se compara Hall con los métodos fotosensibles, es más difícil conseguir una posición absoluta con Hall.
Si bien un solo elemento Hall es susceptible a 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 mediante la señalización diferencial .
Los siguientes materiales son especialmente adecuados para sensores de efecto Hall: [19]
Los sensores de efecto Hall se pueden utilizar en varios sensores, como sensores de velocidad de rotación (ruedas de bicicleta, dientes de engranajes, velocímetros de automóviles, sistemas de encendido electrónico), sensores de flujo de fluido , 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 sincronizar el encendido de motores de combustión interna , tacómetros y sistemas de frenos antibloqueo .
A menudo se encuentran aplicaciones comunes donde se requiere una alternativa robusta y sin contacto a un interruptor o potenciómetro mecánico. Estos incluyen: pistolas eléctricas de airsoft , gatillos de pistolas electroneumáticas de paintball , 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, 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 usan sensores Hall para detectar papel faltante y abrir cubiertas y algunas impresoras 3D los usan para medir el grosor del filamento.
Los sensores Hall se utilizan en algunos indicadores de nivel de combustible de automóviles al detectar 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 u orientación de la aguja indicadora mecánica en una señal eléctrica que puede ser utilizada por indicadores, controles o dispositivos de comunicación electrónicos. [22]
Los magnetómetros de efecto Hall (también llamados teslámetros o gaussímetros) utilizan una sonda Hall [23] con un elemento Hall para medir campos magnéticos o inspeccionar materiales (como tubos o tuberías) 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 del núcleo magnético alrededor del conductor de corriente. [24] Como resultado, se puede medir el flujo magnético de CC y calcular la corriente de CC en el conductor.
Cuando los electrones fluyen a través de un conductor, se produce un campo magnético. Por lo tanto, es posible crear un sensor de corriente o amperímetros sin contacto . El dispositivo tiene tres terminales. Se aplica un voltaje de sensor a través de dos terminales y el tercero proporciona un voltaje proporcional a la corriente que se detecta. Esto tiene varias ventajas; no es necesario insertar resistencia adicional (una derivación , necesaria para el método de detección de corriente más común) en el circuito primario. Además, el voltaje 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), [25] lo que reduce en gran medida la relativa influencia de los campos perdidos en un factor de 100 o mejor. Esta configuración también proporciona una mejora en la relación señal-ruido y efectos de deriva de más de 20 veces la de un dispositivo Hall simple.
El alcance de un sensor de paso determinado también se puede ampliar hacia arriba y hacia abajo mediante el 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 se instala 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 variación del sensor de anillo utiliza un sensor dividido que se sujeta a la línea, lo que permite utilizar el dispositivo en equipos de prueba temporales. 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 aplicado del sensor. Si el campo magnético es aplicado por 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 cálculo ahora se realizan mediante pequeñas computadoras digitales , la aplicación útil restante es 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 proporcionada a una carga y utilizar 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 sensores de movimiento e interruptores de límite de movimiento pueden ofrecer una confiabilidad mejorada en entornos extremos. Como no hay piezas móviles involucradas dentro del sensor o imán, la esperanza de vida típica mejora en comparación con los interruptores electromecánicos tradicionales. Además, el sensor y el imán pueden estar encapsulados en un material protector apropiado.
Comúnmente utilizado en distribuidores para sincronización de encendido (y en algunos tipos de sensores de posición de cigüeñal y árbol de levas para sincronización de pulso de inyección, detección de velocidad, etc.), el sensor de efecto Hall se usa como reemplazo directo de los puntos de interruptor mecánico utilizados en automóviles anteriores. aplicaciones. 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 metálico que consta de ventanas y/o lengüetas está montado en un eje y dispuesto de manera que durante la rotación del eje, las ventanas y/o lengüetas pasen a través del espacio de aire entre el imán permanente y el chip Hall semiconductor. Esto protege y expone efectivamente el chip Hall al campo del imán permanente dependiendo de si una pestaña o ventana pasa a través del sensor Hall. Para fines de sincronización del encendido, el rotor de metal tendrá una cantidad de pestañas y/o ventanas del mismo tamaño que coincidan con la cantidad de cilindros del motor (la pestaña del cilindro número 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 exposición es igual. Esta señal es utilizada por la computadora del motor o la ECU 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 dichos sistemas se han ampliado y perfeccionado para ofrecer más que funciones antideslizantes y ahora brindan 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 del motor más preciso. Los sensores Hall en motores CC sin escobillas de 3 o 4 pines detectan la posición del rotor y conmutan los transistores en la secuencia correcta. [26]
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 adentran más en el espacio. En el HET, los átomos son ionizados y acelerados por 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 tanto, son extremadamente energéticos, lo que significa que pueden ionizar átomos neutros. Se bombea propulsor neutro a la cámara y los electrones atrapados lo ionizan. Luego, los iones y electrones positivos son expulsados del propulsor como un plasma casi neutro , creando empuje. El empuje producido es extremadamente pequeño, con un caudal másico muy bajo y una velocidad de escape efectiva/impulso específico muy alta. Esto se consigue a costa de unas necesidades de energía eléctrica muy elevadas, del orden de 4 kW para unos pocos cientos de milinewtons de empuje.
Los circuitos integrados de sensores Hall a menudo integran electrónica digital. [27] Esto permite correcciones avanzadas a las características del sensor (por ejemplo, correcciones del coeficiente de temperatura), comunicación digital a sistemas de microprocesadores y puede proporcionar interfaces para diagnósticos de entrada, protección contra fallas para condiciones transitorias y detección de cortocircuitos/circuitos abiertos.
Algunos circuitos integrados de sensores Hall integran un DSP , 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 integrados) para la conexión directa al puerto de E/S de un microcontrolador . [28]
El microcontrolador ESP32 incluso tiene un sensor Hall integrado que hipotéticamente podría ser leído por el convertidor analógico a digital interno del microcontrolador , aunque no funciona. [29]
Los sensores Hall normalmente requieren al menos tres pines (para alimentación, tierra y salida). Sin embargo, los circuitos integrados de dos cables solo usan un pin de alimentación y tierra y, en cambio, comunican datos utilizando diferentes niveles de corriente. Se pueden operar varios circuitos integrados de dos cables desde una única línea de suministro para reducir aún más el cableado. [30]
Los interruptores de efecto Hall para teclados de computadora fueron desarrollados a finales de la década de 1960 por Everett A. Vorthmann y Joseph T. Maupin en Honeywell . [31] Debido a los altos costos de fabricación, estos teclados a menudo se reservaban para aplicaciones de alta confiabilidad, como las aeroespaciales y militares. A medida que los costos de producción en masa han disminuido, ha estado disponible un número cada vez mayor de modelos de consumo.
Los sensores de efecto Hall también se pueden encontrar en algunos teclados para juegos de alto rendimiento (fabricados por empresas como SteelSeries , Wooting, Corsair ). Con los propios interruptores que contienen imanes. [32]
Aunque Sega fue pionera en el uso de sensores de efecto Hall en su controlador Sega Saturn 3D [33] y en su controlador original Dreamcast [34] de la década de 1990, los sensores de efecto Hall recién comenzaron a ganar popularidad para su uso en controladores de juegos de consumo desde principios de la década de 2020, la mayoría especialmente en palancas analógicas / joysticks y mecanismos de disparo, [35] 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 piezas mecánicas.
Las aplicaciones de detección de efecto Hall también se han expandido a aplicaciones industriales, que ahora utilizan joysticks de efecto Hall para controlar válvulas hidráulicas, reemplazando las palancas mecánicas tradicionales con detección sin contacto. Dichas aplicaciones incluyen camiones mineros, retroexcavadoras, grúas, excavadoras, elevadores de tijera, etc.
Algunos circuitos integrados incluyen dos elementos Hall. Esto es útil para contar una serie de incrementos (un codificador incremental ) para crear un codificador lineal o giratorio , mediante el cual una disposición de imanes en movimiento o rotación produce un patrón magnético alterno detectado como un patrón codificado en cuadratura . [4] Ese patrón luego puede decodificarse para proporcionar tanto la velocidad como la dirección del movimiento, o simplemente contarse 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 rotativos). Los dos elementos colocados a una distancia precisa entre sí en la matriz pueden estar orientados en la misma dirección, [36] en cuyo caso el paso magnético de polo a polo debería ser idealmente dos veces el paso de elemento a elemento de Hall. paso. [4] Alternativamente, los elementos Hall pueden orientarse a 90 grados para proporcionar detección en dos ejes. [37] [38]
Medios relacionados con los sensores Hall en Wikimedia Commons