Principio de funcionamiento y aplicaciones del sensor de efecto Hall

«Descubre la increíble tecnología detrás del sensor de efecto Hall y cómo ha revolucionado diversas industrias. Desde su funcionamiento basado en el magnetismo hasta sus múltiples aplicaciones en automóviles, electrónica y medicina, te sumergiremos en el fascinante mundo de este dispositivo que ha cambiado nuestra forma de interactuar con el entorno. ¡Prepárate para conocer el increíble poder del sensor de efecto Hall!»

Este artículo describe el principio de funcionamiento y las aplicaciones del sensor de efecto Hall. El efecto Hall lleva el nombre de Edwin H Hall, quien descubrió el principio fundamental básico del electromagnetismo en el año 1879. El efecto Hall nos permite averiguar si los portadores de carga en un conductor tienen carga positiva o negativa.

Teoría del sensor de efecto Hall

La fuerza magnética sobre la carga en movimiento se puede representar como F= qV x B. En un punto de equilibrio, las fuerzas netas sobre las cargas se vuelven cero.


Por lo tanto,

Principio de funcionamiento y aplicaciones del sensor de efecto Hall
Principio de funcionamiento y aplicaciones del sensor de efecto Hall

Figura 1: Una tira conductora de longitud yoancho w, y diametro d sumergido en un campo magnético B

Consideremos un conductor de la siguiente dimensión: longitud Lespesor yo, y ancho w como se ilustra en la Figura 1. El portador de carga de la carga es q, la densidad del número de portadores de carga es n y la velocidad de deriva del portador de carga vX. En la Figura 1, E y B son vectores mutuamente perpendiculares.


entonces,

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La corriente a través del conductor se puede expresar como

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Simplificando Eq(2) y Eq(3), obtenemos

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La diferencia de potencial transversal en el conductor se puede representar como

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La ecuación (5) se puede reescribir como

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La ecuación (6) indica claramente la relación del voltaje de Hall con la movilidad, la conductividad y la concentración de los portadores. Por lo tanto, la selección del material semiconductor juega un papel importante en el diseño de sensores de efecto Hall. Se utilizan diferentes materiales de aleación como InSb, InAs, GaAs y Si dopado para construir sensores de efecto Hall.

La sensibilidad general del sensor de efecto Hall se define como coeficiente de pasillo que se puede definir como el Gradiente de potencial eléctrico por unidad Intensidad de campo magnético por unidad densidad actual.

Principio de funcionamiento del sensor de efecto Hall

El principio de funcionamiento del sensor de efecto Hall se basa en el voltaje Hall. Los electrones fluyen en línea recta en una tira delgada de un conductor al aplicar electricidad. Sin embargo, cuando las partículas cargadas quedan bajo la influencia del campo magnético, se desvían en una dirección perpendicular al movimiento de los electrones.

Algunos electrones se acumulan en un lado mientras que otros están en otro lado. Como resultado, uno de los planos del conductor se comporta con carga negativa y otro plano con carga positiva. La diferencia de potencial entre el plano del conductor produce voltaje y este voltaje se llama Voltaje de pasillo.

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Los electrones siguen moviéndose de un lado al otro del plano hasta que se logra un equilibrio entre la fuerza aplicada a las partículas cargadas. El equilibrio de fuerzas se establece cuando la fuerza sobre una partícula cargada causada por un campo eléctrico y la fuerza causada por un campo magnético se igualan. Bajo esta condición, el valor del voltaje Hall en este instante es la medida de la densidad de flujo magnético

Los sensores de efecto Hall se pueden clasificar en dos tipos: sensores lineales y de umbral, según la relación entre el voltaje Hall y la densidad de flujo magnético. El voltaje de salida aumenta linealmente con la densidad de flujo magnético en el sensor de efecto Hall lineal. Por otro lado. en el sensor de umbral, el voltaje de salida disminuye bruscamente en cada densidad de flujo magnético,

Diseño de Sistema de Medida usando Sensor de Efecto Hall

Usando el principio fundamental del efecto Hall, se han desarrollado diferentes sensores en varios campos de aplicaciones. Un sistema de medición de efecto Hall consta de diferentes componentes como

  1. Sensor de efecto Hall
  2. Elemento acondicionador de señal
  3. Elemento de procesamiento de señales
  4. Monitor
  5. Fuente de alimentación regulada.

El sensor de efecto Hall está empaquetado en una carcasa de cuatro terminales que consta de terminal de control y terminal de salida diferencial.

Sistema de acondicionamiento de señal para sensor de efecto Hall

Un sensor de efecto Hall detecta principalmente la presencia de un campo magnético y proporciona una salida de voltaje adecuada según la presencia del campo magnético. En presencia de un campo magnético de 1 Gauss, el sensor de efecto Hall proporciona 30 µV de voltaje de salida analógica.

La pequeña cantidad de salida de voltaje requiere un acondicionamiento de señal adecuado. Además, el efecto Hall depende de la temperatura ambiente, por lo tanto, también se requiere una compensación de temperatura. El sensor de efecto Hall también es susceptible al estrés mecánico, por lo tanto, la carcasa adecuada del efecto Hall está diseñada para minimizar el estrés.

La figura 2 muestra el diagrama esquemático del circuito de acondicionamiento de señales analógicas del sensor de efecto Hall.

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Figura 2: Acondicionamiento de señales analógicas

Para propósitos de acondicionamiento de señal, se utiliza un amplificador diferencial que tiene las siguientes características

  1. Alta impedancia de entrada
  2. Bajo nivel de ruido
  3. Alta ganancia de amplificación

A continuación se analizan algunos de los pasos de diseño importantes de la unidad de acondicionamiento de señales de este sensor.

  1. Como el campo magnético medido tiene polaridad tanto positiva como negativa, el circuito de acondicionamiento de señal del efecto Hall también proporciona voltaje positivo y negativo. Para evitar el uso de dos fuentes de alimentación de polaridad diferente para acomodar el voltaje de polaridad positiva y negativa, se utiliza un circuito compensado.
  2. Para la saturación de tensión positiva y negativa del Efecto Hall se imponen límites de saturación.
  3. El voltaje de salida del efecto Hall depende de la corriente, por lo tanto, se utiliza un regulador para regular el flujo de corriente.

La figura 3 ilustra el sistema de acondicionamiento de señal para el sensor de efecto Hall con salida digital. El beneficio importante del sensor digital es que proporcionará un 1 lógico o un 0 lógico cuando haya presencia o ausencia del campo magnético. Es más fácil conectar la salida digital del sensor con un microprocesador, microcontrolador y otros dispositivos digitales.


Para obtener la salida digital, la salida analógica del amplificador diferencial se pasa a través de un circuito disparador Schmitt. El circuito de disparo Schmitt proporciona una comparación entre el valor real y el valor preestablecido y proporciona un 0 lógico o un 1 lógico. La capacidad de activación de salida de la salida digital del sensor es muy baja, por lo tanto, la configuración de colector abierto (transistor NPN) y la configuración de drenaje abierto se han utilizado en la etapa de salida.

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Figura 3: Acondicionamiento de señal digital del sensor de efecto Hall

Aplicaciones del sensor de efecto Hall

Sensor de corriente de efecto Hall

El Efecto Hall tiene aplicaciones en diferentes disciplinas de diseño de sensores. Uno de estos diseños de sensores prometedores es el Sensor de corriente de efecto Hall (HECS). Los HECS miden corriente CA y CC porque el transformador de corriente clásico no puede medir CC. HECS encuentra una gran cantidad de aplicaciones en diferentes dominios, como unidades industriales de CC y CA, vehículos eléctricos, medición de potencia y energía, medición de la calidad de la energía y mecanismos de control de retroalimentación para convertidores de potencia.

La selección de HECS apropiado es un desafío de diseño importante debido a varios factores tales como

  1. Alcance actual: Corriente de pico, corriente de sobrecarga transitoria, corriente nominal
  2. Salida requerida: Voltaje, el factor de escala
  3. Exactitud: Teniendo en cuenta la no linealidad y la compensación de CC a temperatura ambiente
  4. Fuente de alimentación: Fuente de alimentación positiva o negativa
  5. Rango de frecuencia: Frecuencia de funcionamiento fundamental, contenido armónico
  6. Clasificación di/dt y dv/dt: Tasa de cambio del límite de corriente y voltaje

Existen diferentes desafíos para el diseño de HECS tales como

  1. HECS debe tener un alto rango dinámico
  2. HECS debe tener una huella o dimensión física baja
  3. HECS debe ser de alta velocidad
  4. HECS debe ser de naturaleza económica

Hay diferentes tipos de HECS, es decir, HECS de bucle abierto y HECS de bucle cerrado. Los HECS de bucle abierto tienen diferentes limitaciones, como mayor tamaño físico, saturación, no linealidad y calentamiento del núcleo; por lo tanto, los HECS de bucle cerrado se utilizan ampliamente, como se muestra en la Figura 4.

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Figura 4: Diagrama de bloques del sensor de efecto Hall de circuito cerrado con circuito de acondicionamiento de señal

A pesar de sus diversas características, HECS de circuito cerrado tiene varias limitaciones, como (a) deriva de ganancia debido al cambio de temperatura, (b) compensación magnética, (c) compensación de CC y (d) no linealidad.

Tabla 1: Resumen de diferentes sensores de corriente de efecto Hall

Número de parte Ancho de banda (MHz) Pendiente Tiempo de subida (nseg) Medición de señal de CC Aislamiento Tamaño Clasificación
ABB EL50P1 0.2 Medio RMS: 50 A PP: ±80 A
LEM LA-55-P 0.2 500 Medio RMS: 50 A PP: ±70 A
ACS70331 1 Pequeño 5A
ACS7002MA 0.4 Pequeño ±100A

Interruptor de efecto Hall

Los sensores de efecto Hall también se utilizan como interruptores, como interruptores de proximidad e interruptores de láminas. El interruptor de efecto Hall se enciende y se apaga si detecta la presencia de un campo magnético. Este interruptor se usa ampliamente para los principios de detección de proximidad. Algunos de los interruptores industriales de efecto Hall son

  1. TLE496X: campo automotriz
  2. TLI496X: fines industriales (detección de posición del motor BLDC)
  3. TLV496X: aplicaciones de consumo (bicicletas eléctricas, ventiladores)

Para detectar la velocidad, el desplazamiento y la posición de un eje giratorio, los sensores de efecto Hall se utilizan ampliamente. Hay dos configuraciones de ensamblaje de motor diferentes en las que los sensores de efecto Hall se utilizan para la detección de posición y desplazamiento, como

  1. Ensamble de rotor magnético: En este ensamble los imanes no son estacionarios
  2. Conjunto de rotor de paletas ferrosas: en este conjunto, los imanes son estacionarios
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