Sensores

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SENSORES HALL

Los sensores Hall se producen a partir de finas placas de semiconductores, ya que en ella el espesor de los portadores de carga es reducido y por ello la velocidad de los electrones es elevada, para conseguir un alto voltaje de Hall. Típicos formatos son:

• Forma rectangular

• Forma de mariposa

• Forma de cruz

Los elementos del Hall se integran mayoritariamente en un circuito integrado en los que se produce una elevación de la señal y una compensación de la temperatura.

Se recordara por la física elemental que el efecto Hall relaciona la tensión entre dos puntos de un material conductor o semiconductor con un campo magnético a través del material. Cuando se utilizan por si mismos, los sensores de efecto Hall solo pueden detectar objetos magnetizados. Sin embargo cuando se emplean en conjunción con un imán permanente en la configuración tal como la indicada en la figura, son capaces de detectar todos los materiales ferromagnéticos.

Cuando se utilizan de dicha manera, un dispositivo de efecto Hall detecta un campo magnético intenso en la ausencia de un material ferromagnético en el campo cercano.

Cuando dicho material se lleva a la proximidad del dispositivo, el campo magnético se debilita en el sensor debido a la curvatura de las líneas del campo a través del material.

Los sensores de efecto Hall están basados en el principio de una fuerza de Lorentz que actúa sobre una partícula cargada que se desplaza a través de un campo magnético. Esta fuerza actúa sobre un eje perpendicular al plano establecido por la dirección de movimiento de la partícula cargada y la dirección del campo. Es decir, la fuerza de Lorentz viene dada por F = q(v x B), en donde q es la carga, v es el vector de velocidad, B es el vector del campo magnético y x es el signo indicativo del producto vectorial.

Al llevar un material ferromagnético cerca del dispositivo de imán semiconductor disminuirá la intensidad del campo magnético, con la consiguiente reducción de la fuerza de Lorentz y, finalmente, la tensión a través del semiconductor.

Esta caída en la tensión es la clave para detectar la proximidad con sensores de efecto Hall. Las decisiones binarias con respecto a la presencia de un objeto se realizan estableciendo un umbral de la tensión fuera del sensor.

Aplicaciones de los sensores Hall

• Mediciones de campos magnéticos (Densidad de flujo magnético)

• Mediciones de corriente sin potencial (Sensor de corriente)

• Emisor de señales sin contacto

• Aparatos de medida del espesor de materiales

Como sensor de posición o detector para componentes magnéticos los sensores Hall son especialmente ventajosos si la variación del campo magnético es comparativamente lenta o nula. En estos casos el inductor usado como sensor no provee un voltaje de inducción relevante.

En la industria del automóvil el sensor Hall se utiliza de forma frecuente, ej. en sensores de posición del cigüeñal (CKP) en el cierre del cinturón de seguridad, en sistemas de cierres de puertas, para el reconocimiento de posición del pedal o del asiento, el cambio de transmisión y para el reconocimiento del momento de arranque del motor. La gran ventaja es la invariabilidad frente a suciedad (no magnética) y agua.

Además puede encontrarse este sensor en circuitos integrados, en impresoras láser donde controlan la sincronización del motor del espejo, en disqueteras de ordenador así como en motores de corriente continua sin escobillas, ej. en ventiladores de PC. Ha llegado a haber incluso teclados con sensores Hall bajo cada tecla.

Los sensores Hall se utilizan en señales salientes análogas para campos magnéticos muy débiles (campo magnético terrestre), ej. brújula en un sistema de navegación.

Como sensores de corriente se usan como bobinas, recorridas con una corriente por medir situadas en la separación del núcleo de hierro. Estos sensores de corriente se comercializan como componentes íntegros, son muy rápidos, se pueden usar para la medición de corrientes continuas (a diferencia de los transformadores de corriente) y proveen una separación de potencial entre circuitos de rendimiento y la electrónica de control.

Como sensor de reconocimiento de posición o tecla a distancia trabajan en conexión con imanes permanentes y disponen de un interruptor de límite integrado.

Los sensores basados en efecto Hall constan de un elemento conductor o semiconductor

y un imán. Cuando un objeto ferromagnético se aproxima al sensor, el campo que

provoca el imán en el elemento se debilita. Así se puede determinar la proximidad de un

objeto, siempre que sea ferromagnético.

Aplicaciones de sensores de efecto Hall

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 (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.

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 robot.

En robótica las aplicaciones también son vastas por ejemplo para contar las vueltas de

una llanta se pone el imán en la llanta y el sensor en la carcaza y cada vez que pase el

imán contara una vuelta esta señal de conteo podemos meterla a un microcontrolador y

este comparar el conteo de las dos llantas y hacer un refresco para verificar que las

vueltas que ha dado una llanta y otra sean iguales, así podemos asegurar que un robot

vaya derecho y no verse afectado por alguna piedra que haya atorado una llanta y

desviado a nuestro robot móvil.

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]G1

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

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