Sensor de efecto Hall

CARACTERISTICAS DEL SENSOR DE EFECTO HALL
Los sensores de efecto Hall, basados en un fenómeno clásico del electromagnetismo descubierto por Edwin Herbert Hall en 1879, son actualmente empleados en una gran variedad de aplicaciones prácticas, incluyendo lectores de tarjetas magnéticas, detectores de proximidad, sensores de velocidad, medidores de potencia eléctrica, brújulas electrónicas, sistemas de ignición, etc.Con la variación de la corriente podemos producir la variación del campo magnético que es quien influye sobre el sensor de efecto hall.Los otros métodos de medición de corriente como shunts y transformadores de corriente también entregan una buena respuesta ante diferentes situaciones, limitados por los niveles de corriente a medir.El circuito de acondicionamiento del sensor esta formado por una fuente de corriente para la polarización del sensor que esta en el rango de los 10mA DC, tiene un amplificador para darle ganancia a la magnitud de la señal, también tiene un filtro pasabajo butterworth, con este acondicionamiento se pretende fijar a la señal entre unos rangos que le permitan ser una señal adquirible para los niveles lógicos de un computador

Principio de funcionamiento del sensor de Efecto HallL

El sensor de efecto Hall se basa en la tensión transversal de un conductor que está sometido a un campo magnético. Colocando un voltímetro entre dos puntos transversales de un cable se puede medir esa tensión. Para ello hay que hacer circular por el cable una intensidad fija y acercar un imán. Los electrones que pasan por el cable se verán desplazados hacia un lado. Entonces aparece una diferencia de tensión entre los dos puntos transversales del cable. Al separar el imán del cable, la tensión transversal desaparece. Para poder utilizar la tensión transversal es necesario amplificarla, porque su valor es muy reducido.
Los sensores de efecto Hall se utilizan en los automóviles para medir velocidades de rotación o detectar la posición de un determinado elemento. Su principal ventaja es que pueden ofrecer datos fiables a cualquier velocidad de rotación. Y sus inconvenientes son la mayor complejidad y precio con respecto a un sensor inductivo. Funcionamiento El sensor de efecto Hall se basa en la tensión transversal de un conductor que está sometido a un campo magnético. Colocando un voltímetro entre dos puntos transversales de un cable se puede medir esa tensión. Para ello hay que hacer circular por el cable una intensidad fija y acercar un imán. Los electrones que pasan por el cable se verán desplazados hacia un lado. Entonces aparece una diferencia de tensión entre los dos puntos transversales del cable. Al separar el imán del cable, la tensión transversal desaparece. Para poder utilizar la tensión transversal es necesario amplificarla, porque su valor es muy reducido. Un sensor de efecto Hall utilizado en automoción se compone de: · Un generador magnético que suele ser un imán fijo. · Un pequeño módulo electrónico donde se encuentran los componentes que miden la tensión transversal. · Una corona metálica con ventanas para interrumpir el campo magnético. La corona metálica se intercala entre el imán fijo y el módulo electrónico y está unida a un eje con giro. Según la posición de la corona, el campo magnético del imán llega hasta el módulo electrónico. La tensión obtenida a la salida del módulo electrónico, una vez tratada y amplificada corresponde con un valor alto (de 5 a 12 voltios) cuando la corona tapa el campo magnético, y un nivel bajo (de 0 a 0,5 voltios) cuando la corona descubre el imán. Los sensores de efecto Hall se suelen utilizar para detectar la posición de los árboles de levas, la velocidad del vehículo y en algunos distribuidores para determinar el momento de encendido. También pueden emplearse para determinar la posición del cigüeñal. El sensor de efecto Hall se conecta mediante tres cables eléctricos. Uno de ellos corresponde con el valor negativo (masa del vehículo), otro cable corresponde con la alimentación, que suele ser de 5 ó de 12 voltios. El tercer cable corresponde con la señal de salida que varía según la posición de la corona metálica. Para comprobar el funcionamiento de un sensor Hall basta verificar el valor de la tensión de alimentación y la variación de la tensión en la señal de salida cuando alguna ventana de la corona permite el flujo del campo magnético

Tipos de Sensores

El Nº de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que no se puede proceder racionalmente a su estudio sin clasificarlos previamente de acuerdo con algún criterio. Hay diversos criterios adicionales a los que expondremos aquí. Según el aporte de energía, los sensores se pueden dividir en moduladores y generadores. En los sensores moduladores o activos, la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar.La entrada sólo controla la salida.En los sensores generadores o pasivos, en cambio, la energía de salida es suministrada por la entrada. Los sensores moduladores requieren en general más hilos que los generadores, ya que la energía de alimentación suele suministrarse mediante hilos distintos a los empleados para la señal. Además, esta presencia de energía auxiliar puede crear un peligro de explosiones en algunos ambientes. Por contra, su sensibilidad se puede modificar a través de la señal de alimentación, lo que no permiten los sensores generadores. (Obs: La designación de activos y pasivos se emplea en algunos textos con significados opuesto al que se ha dado, por lo que aquí no hacemos uso de ella para evitar confusiones). Según la señal de salida, los sensores se clasifican en analógicos o digitales. En los analógicos la salida varia, a nivel macroscópico, de forma continua. La información está en la amplitud, si bien se suelen incluir en este grupo los sensores con salida en el dominio temporal. Si es en forma de frecuencia, se denominan, a veces, "casi digitales", por la facilidad con que se puede convertir en una salida digital. En los sensores digitales, la salida varia en forma de saltos o pasos discretos. No requieren conversión A/D y la transmisión de su salida es más fácil. Tienen también mayor fidelidad y mayor fiabilidad, y muchas veces mayor exactitud, pero lamentablemente no hay modelos digitales para muchas de las magnitudes físicas de mayor interés.Atendiendo al modo de funcionamiento, los sensores pueden ser de deflexión o de comparación. En los sensores que funcionan por deflexión, la magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que esta relacionado con alguna parte útil. Un dinamómetro para la medida de fuerzas es un sensor de este tipo en el que la fuerza aplicada deforma un muelle hasta que la fuerza de recuperación de éste, proporcional a su longitud, iguala la fuerza aplicada. En los sensores que funcionan por comparación, se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector del desequilibrio y un medio para restablecerlo. En una balanza manual, por ejemplo, la colocación de una masa en un platillo provoca un desequilibrio, indicado por una aguja sobre una escala. El operario coloca entonces una o varias masas en el otro platillo hasta alcanzar el equilibrio, que se juzga por la posición de la aguja. Las medidas por comparación suelen ser más exactas porque el efecto conocido opuesto se puede calibrar con un patrón o magnitud de referencia de calidad. El detector de desequilibrio sólo mide alrededor de cero y, por lo tanto, puede ser muy sensible y no necesita estar calibrado. Por contra, tienen en principio menor respuesta dinámica y, si bien se pueden automatizar mediante un servomecanismo, no se logra normalmente una respuesta tan rápida como en los de deflexión.Según el tipo de relación entrada-salida, los sensores pueden ser de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior. El orden está relacionado con el número de elementos almacenadores de energía independientes que incluye el sensor, y repercute en su exactitud y velocidad de respuesta. Este clasificación es de gran importancia cuando el sensor forma parte de un sistema de control en lazo cerrado. Cualquiera de estas clasificaciones es exhaustiva, y cada una tiene interés particular para diferentes situaciones de medida. Ahora bien, para el estudio de un gran número de sensores se suele acudir a su clasificación de acuerdo con la magnitud medida. Se habla, en consecuencia, de sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición, velocidad, aceleración, fuerza, par, etc. Sin embargo, esta clasificación difícilmente puede ser exhaustiva ya que la cantidad de magnitudes que se pueden medir es prácticamente inagotable. Ejemplo en la cantidad de contaminantes químicos en el aire o en el agua, o en la cantidad de proteínas diferentes que hay en el cuerpo humano y que interesa detectar. Desde el punto de vista de la ingeniería electrónica, es más atractiva la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable: resistencia, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente, y otros tipos no incluidos en los anteriores grupos

Construccion de el sensor efecto Hall

El efecto Hall consiste en la aparición de un campo eléctrico en un conductor cuando es atravesado por un campo magnético. A este campo eléctrico se le llama campo Hall. Este efecto fue descubierto en 1879 por el físico estadounidense Edwin Herbert Hall.
Cuando por un material conductor o semiconductor, circula una corriente eléctrica, y estando este mismo material en el seno de un campo magnético, se comprueba que aparece una fuerza magnética en los portadores de carga que los reagrupa dentro del material, esto es, los portadores de carga se desvían y agrupan a un lado del material conductor o semiconductor, apareciendo así un campo eléctrico perpendicular al campo magnético y al propio campo eléctrico generado por la batería (FM). Este campo eléctrico es el denominado campo Hall (EH), y ligado a él aparece la tensión Hall, que se puede medir mediante el voltímetro de la figura. Hay que destacar que este voltímetro no esto puede afectar los fototransistores indiviualmente de lo que se este haciendo lo unico que no cambia es la apariencia horriblisima que tiene esta cosa debe cambiar su polaridad, esto es, si mide valores de tensión negativos, no hay que invertir las conexiones.
En el caso de la figura, tenemos una tableta de un material desconocido y queremos saber cuales son sus portadores de carga. Para ello, mediante una batería hacemos circular por la tableta una corriente eléctrica. Una vez hecho esto, introducimos la tableta en el seno de un campo magnético uniforme y perpendicular a la tableta.
Aparecerá entonces una fuerza magnética sobre los portadores de carga, que tenderá a agruparlos a un lado de la tableta, apareciendo de este modo una tensión Hall y un campo eléctrico Hall entre ambos lados de la tableta. Dependiendo de si la lectura del voltímetro es positiva o negativa, y conociendo el sentido del campo magnético y del campo eléctrico originado por la batería, podemos deducir si los portadores de carga de la tableta de material desconocido son las cargas positivas o las negativas.
La física clásica del efecto Hall
Sabemos que un campo magnético actua sobre las cargas en movimiento (Fuerza de Lorentz).
Una corriente I que atraviesa un material consiste en cargas (eléctrones) que se desplazan (en sentido contrario a la corriente) con una velocidad que denominaremos v.Si sumergimos esa corriente de electrones en un campo magnético B, cada uno de los electrones que forman la corriente estará sometidos a la fuerza de Lorenz Fm = -e.v^B.Donde -e corresponde a la carga de un electrón, v el vector velocidad del electrón y B el vector campo magnético aplicado.

La dirección de la fuerza será perpendicular al plano formado por v y B (ya que es resultado del producto vectorial de ambos) y provocará un desplazamiento de electrones en esa dirección.Como consecuencia tendremos una concentración de cargas negativas sobre uno de los lados del material y un déficit de cargas negativas en el lado opuesto. Esta distribución de cargas genera una diferencia de potencial entre ambos lados, la tensión de Hall VH, y un campo eléctrico EH.
Este campo eléctrico que genera a su vez una fuerza eléctrica sobre los electrones dada por la Ley de Coulomb, Fe = -e . EH, que actúa en la misma dirección que la fuerza de Lorenz pero en sentido contrario a esta. El equilibrio se alcanzará cuando la suma de las dos fuerzas sea nula, de lo cual deducimos que en el equilibrio el valor del campo Hall es: EH = -v^B.
Aplicación del efecto Hall
Los sensores de Efecto Hall permiten medir :
Los campos magnéticos (Teslametros)
La intensidad de corrientes eléctricas (sensores de corriente de Efecto Hall)
También permiten la elaboración de sensores o detectores de posición sin contacto, utilizados particularmente en el automovil, para detectar la posición de un arbol giratorio (caja de cambios, paliers, ...).
Encontramos también sensores de efecto Hall bajo las teclas de los teclados de los intrumentos de música modernos (organos, organos digitales, sintetizadores) evitando así el desgaste que sufren los contactos eléctricos tradicionales. Encontramos sensores de efecto Hall en el Encoder de un motor de CD

Sistema de acondicionamiento

Si una corriente fluye en un conductor (o semiconductor) y se le aplica un campo magnético perpendicular a dicha corriente,entonces la combinación de corriente y campo magnético genera un voltaje perpendicular a ambos. Este fenómeno se denomina EfectoHall. VH es una función de la densidad de corriente, el campo magnético, y la densidad de carga y movilidad portadora del conductor.

El efecto Hall se usa para hacer sensores de movimiento, particularmente en aplicaciones de posición y movimiento, lineal o rotatorio. Analog Devices ha integrado en un solo dispositivo el sensor y la circuitería de acondicionamiento para minimizar las derivas debidas a la temperatura asociadas a las características de la célula de silicio, con la familia AD22xxx.

Aplicaciones de sensores por efecto Hall

El campo de aplicaciones de los sensores de Efecto Hall es extremadamente amplio. Por ejemplo se pueden emplear como medidores de campo magnético o gaussímetros. En este tipo de circuitos hay una sonda junto con el sensor y electrónica vinculada con el procesamiento de la medida. Pueden medir campos magnéticos del orden de 1 mG.[1]
Los sensores de efecto Hall lineales son ideales para la medición de corrientes, cubriendo un rango que se extiende desde pocos miliamperes hasta cientos de Amperes.

Para conductores donde circulan corrientes elevadas el sensor provee en su salida una medida directa, pudiéndose utilizar el esquema mostrado en la Figura 10 a). Para bajas corrientes se utilizan toroides con arrollamientos para concentrar el campo a valores razonables para realizar la medición,

Los sensores de efecto Hall tienen múltiples aplicaciones en la industria automotriz, por ejemplo para medir velocidades de rotación o detectar la posición de un determinado elemento. Su principal ventaja es que pueden ofrecer datos fiables a cualquier velocidad de rotación.

Un sensor de Efecto Hall utilizado en automóviles. Está formado por los siguientes elementos:
· Un generador magnético que suele ser un imán fijo.
· Un pequeño módulo electrónico donde se encuentran los componentes que miden la tensión transversal.
· Una corona metálica con ventanas para interrumpir el campo magnético.
La corona metálica se intercala entre el imán fijo y el módulo electrónico y está unida a un eje con giro. Según la posición de la corona, el campo magnético del imán llega hasta el módulo electrónico. La tensión obtenida a la salida del módulo electrónico, una vez tratada y amplificada corresponde con un valor alto ( de 5 a 12 voltios ) cuando la corona tapa el campo magnético, y un nivel bajo (de 0 a 0,5 voltios) cuando la corona descubre el imán.

Los sensores de efecto Hall se suelen utilizar para detectar la posición de los árboles de levas, la velocidad del vehículo y en algunos distribuidores para determinar el momento de encendido. También pueden emplearse para determinar la posición del cigüeñal.
El sensor de efecto Hall se conecta mediante tres cables eléctricos. Uno de ellos corresponde con el valor negativo (masa del vehículo), otro cable corresponde con la alimentación, que suele ser de 5 ó de 12 voltios. El tercer cable corresponde con la señal de salida que varía según la posición de la corona metálica.
Para comprobar el funcionamiento de un sensor Hall basta verificar el valor de la tensión de alimentación y la variación de la tensión en la señal de salida cuando alguna ventana de la corona permite el pasaje del flujo del campo magnético.
El campo magnético terrestre a nivel del mar es del orden de 1 G.

PROBLEMA PRACTICO

Una de las aplicaciones de los sensores por efecto Hall que más se ha instalado en la industria, en especial en la automotriz, es como reemplazo del sensor inductivo o pickup magnético que describimos más arriba (basado en un imán permanente y una bobina). Dado que en este caso el sensor, por estar implementado por un semiconductor, tiene la capacidad de poseer electrónica integrada, la señal que sale de los sensores por efecto Hall para uso como detectores de proximidad por lo general ya está amplificada y condicionada, de modo que su utilización es mucho más directa, fácil y económica.
Otra aplicación es la medición de la corriente que circula por un conductor, con lo que se pueden implementar medidores de seguridad sin necesidad de insertarlos en el circuito eléctrico de un sistema donde se maneja potencia. Los sensores pueden estar construidos en una cápsula de tipo circuito integrado o una de transistor

Transistor: Dispositivo electrónico de material semiconductor (germanio, silicio) capaz de controlar una corriente eléctrica, amplificándola y/o conmutándola. Posee tres conexiones: Colector, Emisor y Base., o también pueden tener una carcaza con un orificio por el que pasará el cable cuya corriente se va a medir.

Se utilizan también chips por efecto Hall como interruptores accionados por el campo magnético de un imán. Un caso concreto es en los sensores de los sistemas de alarma (aquellos que se colocan en puertas y ventanas, para detectar su apertura). Estos interruptores tienen la ventaja de no sufrir fricción al ser accionados, ya que el único elemento que toma contacto es el campo magnético. Son utilizados en teclados de alta eficiencia, y estos mismos interruptores se pueden usar como sensores de choque (contacto físico), posición de un mecanismo, cuentavueltas, límite de carrera y otras detecciones mecánicas dentro y en el exterior de un robotSe utilizan también chips por efecto Hall como interruptores accionados por el campo magnético de un imán. Un caso concreto es en los sensores de los sistemas de alarma (aquellos que se colocan en puertas y ventanas, para detectar su apertura). Estos interruptores tienen la ventaja de no sufrir fricción al ser accionados, ya que el único elemento que toma contacto es el campo magnético. Son utilizados en teclados de alta eficiencia, y estos mismos interruptores se pueden usar como sensores de choque (contacto físico), posición de un mecanismo, cuentavueltas, límite de carrera y otras detecciones mecánicas dentro y en el exterior de un robot