Sensor de efecto Hall
Un sensor de efecto Hall (o simplemente sensor Hall) es un tipo de sensor que detecta la presencia y magnitud de un campo magnético mediante el efecto Hall. El voltaje de salida de un sensor Hall es directamente proporcional a la fuerza del campo. Lleva el nombre del físico estadounidense Edwin Hall.
Los sensores Hall se utilizan para aplicaciones de detección de proximidad, posicionamiento, detección de velocidad y detección de corriente. Con frecuencia, un sensor Hall se combina con detección de umbral para actuar como un interruptor binario. Comúnmente vistos en aplicaciones industriales como el cilindro neumático ilustrado, también se usan en equipos de consumo; por ejemplo, algunas impresoras de computadora los usan para detectar papel faltante y cubiertas abiertas. Algunas impresoras 3D las usan para medir el grosor del filamento.
Los sensores Hall se usan comúnmente para cronometrar la velocidad de las ruedas y los ejes, como la sincronización del encendido del motor de combustión interna, los tacómetros y los sistemas de frenos antibloqueo. Se utilizan en motores eléctricos de CC sin escobillas para detectar la posición del imán permanente. En la rueda ilustrada con dos imanes igualmente espaciados, el voltaje del sensor alcanza su punto máximo dos veces por cada revolución. Este arreglo se usa comúnmente para regular la velocidad de las unidades de disco.
Principios
En un sensor Hall, se aplica una corriente a una delgada tira de metal. En presencia de un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, los portadores de carga son desviados por la fuerza de Lorentz, produciendo una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre los dos lados de la tira. Esta diferencia de voltaje (el voltaje Hall) es proporcional a la fuerza del campo magnético.
Los sensores de efecto Hall responden a campos magnéticos estáticos (sin cambios). Esta es una diferencia clave con los sensores inductivos, que responden solo a cambios en los campos.
Características
Los sensores Hall son capaces de medir una amplia gama de campos magnéticos y son sensibles tanto a la magnitud como a la orientación del campo. Cuando se usan como interruptores electrónicos, son menos propensos a fallas mecánicas, ya que no hay desgaste en las partes físicas. También se pueden operar a frecuencias más altas que los interruptores mecánicos.
Los interruptores de efecto Hall no se pueden utilizar en áreas con campos magnéticos externos elevados. 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.
Construcción
El factor clave que determina la sensibilidad de los sensores de efecto Hall es la alta movilidad de los electrones. Como resultado, los siguientes materiales son especialmente adecuados para sensores de efecto Hall:
- Gallium arsenide (GaAs)
- Arsenida indio (As)
- Fosfido indio (InP)
- Antimonio indio (InSb)
- Graphene
Aplicaciones
Una de las aplicaciones industriales más comunes de los sensores Hall utilizados como interruptores binarios es la detección de posición. Los sensores Hall también se utilizan en motores de CC sin escobillas para detectar la posición del rotor y cambiar los transistores en la secuencia correcta. Otro ejemplo de un sensor de posición de efecto Hall es el sensor que se utiliza para detectar si la cubierta de un teléfono inteligente está cerrada.
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 espacio en el núcleo magnético alrededor del conductor de corriente. Como resultado, se puede medir el flujo magnético de CC y calcular la corriente de CC en el conductor.
Los sensores Hall se utilizan en algunos indicadores de nivel de combustible para automóviles. El sensor se utiliza para detectar la posición de un elemento flotante dentro del tanque de combustible.
Los interruptores de efecto Hall para teclados de computadora fueron desarrollados a fines de la década de 1960 por Everett A. Vorthmann y Joseph T. Maupin en Honeywell. Debido a los altos costos de fabricación, estos teclados a menudo se reservaban para aplicaciones de alta confiabilidad, como la aeroespacial y militar. A medida que los costos de producción en masa han disminuido, se ha vuelto disponible un número creciente de modelos de consumo.
Los sensores Hall son transductores lineales. Dichos sensores requieren un circuito lineal para procesar la señal de salida del sensor. Este circuito proporciona el voltaje de activación para el sensor y se utiliza para amplificar la señal de salida. 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 con transductores lineales suelen integrarse con electrónica digital. Esto permite correcciones avanzadas a las características del sensor (por ejemplo, correcciones de coeficiente de temperatura) y la interfaz digital a los sistemas de microprocesador. En algunos sensores IC Hall se integra un DSP, que puede permitir más técnicas de procesamiento directamente dentro del paquete del sensor. Las interfaces del sensor Hall pueden incluir diagnósticos de entrada, protección contra fallas para condiciones transitorias y detección de cortocircuito/circuito abierto. También puede proporcionar y monitorear la corriente al propio sensor Hall. Hay productos IC de precisión disponibles para manejar estas características. Algunos microcontroladores como el ESP32 tenían un sensor Hall integrado (eliminado 2023.4 V4.9), que podía ser leído por el convertidor analógico a digital interno del microcontrolador.
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.
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