INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL, GRUPO 01T CICLO I-14, 05-03-14
SENSORES DE EFECTO HALL Héctor J. Peña PL100875. Escuela de electrónica, Universidad Don Bosco, El Salvador.
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Resumen — Este documento presenta el proceso de como aparece
un campo eléctrico a través de un conductor, cuando es atravesado por un campo magnético. Este campo eléctrico recibe el n ombre de campo Hall, descubierto en 1879 por el físico estadounidense Edwin Herbert Hall. A lo largo del documento describiremos los sensores basados en este efecto, su principio de funcionamiento, l u l a r eed. características y aplicaciones y su diferencia con la cé Palabr as clave — Campo eléctrico, campo magnético, campo Hall,
sensor, sonda Hall, célula reed.
I.
INTRODUCCIÓN.
Dado un material por el que se pueda establecer una corriente y que se encuentre sometido a un campo magnético, el efecto Hall permite relacionar la corriente y el campo magnético con la aparición de una diferencia de potencial en el material, en función de algunas de las propiedades de composición y tamaño del mismo. Esto permite caracterizar al material en términos de conducción eléctrica y tiene además diversas aplicaciones como sensor de corrientes, campos magnéticos y cualquier magnitud que pueda ser convertida a una corriente o campo magnético.
II.
PRINCIPIO DE 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. te nsión. 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, denominada voltaje de Hall. Este voltaje es proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado aplic ado y su polaridad depende del signo de los portadores de carga. 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. El campo magnético perpendicular a la dirección del flujo de corriente, ejerce una fuerza desviadora (fuerza de Lorentz) sobre el conductor o semiconductor. Esta fuerza causa la desviación de los portadores de carga que se mueven a través del material.
Sensores Sensores de efecto H all al l
Los sensores magnéticos convierten señales magnéticas en señales eléctricas para ser procesadas por circuitos electrónicos. El sensor de efecto Hall, está basado en la producción de una caída de voltaje a través de un conductor o semiconductor con corriente, bajo la influencia de un campo magnético externo. Para esto es necesario que la dirección del campo magnético sea perpendicular a la dirección de flujo de la corriente. [1]
Fig. 2 Sensor de efecto Hall. Fig. 1 Acción de un sensor de efecto Hall.
La mayoría de los sensores modernos se basan en semiconductores de GaAs o InAs porque dan tensiones de Hall, relativamente grandes.
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CARACTERÍSTICAS.
Los sensores de efecto Hall poseen gran variedad de características debido a la diversidad de aplicaciones en las que pueden ser utilizados. Algunas de ellas, son las siguientes: El sensor se construye con un semiconductor, y la detección se realiza a través del potencial medido entre los extremos del material. La señal obtenida del sensor Hall puede ser procesada para dar una señal digital o analógica. Cuando se desea obtener una salida digital los sensores se denominan interruptores Hall ( H all switches ). Cuando se requiere que la salida sea proporcional a la señal que se desea medir se denominan sensores Hall de tipo lineal. En ausencia de material, el sensor de efecto Hall detecta un campo magnético intenso. Cuando el material se aproxima al sensor, el campo magnético se debilita en el sensor debido a la curvatura de las líneas de campo a través del material. La estructura básica de un dispositivo de efecto Hall integrado es la mostrada en la figura 3. El dispositivo consta de la pastilla de efecto Hall y una circuitería electrónica apropiada que permite amplificar la tensión de salida a valores medibles, ya que la tensión de salida del sensor Hall básico es muy pequeña.
Los sensores de efecto Hall, son demasiado sensibles cuando las condiciones de la superficie no son perfectas, lo cual resulta poco confiable cuando se realizan inspecciones porque generan falsas alarmas. Los sensores de efecto Hall lineales pueden ser usados en múltiples aplicaciones, por ejemplo: detección de movimiento, de posición, cambios producidos en un material ferromagnético cuando se aplica un campo magnético. El consumo de energía es muy bajo, la salida es lineal y muy estable con la temperatura. IV.
APLICACIONES.
Algunas de las aplicaciones de los sensores de efecto Hall que más se han instalado en la industria, son las siguientes: En el campo automotriz, se usa un sensor Hall 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 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. Otra aplicación en la industria automotriz de los sensores Hall, es que son utilizados 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. [3]
Fig. 3 Sensor de efecto Hall integrado.
El sensor de efecto Hall, se construyen con semiconductores y la detección, se realiza a través del potencial medido entre los extremos del material. Es necesario realizar una referencia cruzada y ciertas cancelaciones cuando se utiliza este tipo de sensor, para que las señales verdaderas puedan separarse de otras causas que producen grandes variaciones de voltaje generados por el proceso de inspección.
Fig. 4 Señal de revoluciones aplicando un sensor de efecto Hall.
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En robótica un sensor de efecto Hall se utiliza para contar las vueltas de una llanta, colocando el imán en la llanta y el sensor en la carcasa de manera que, cada vez que pase por el imán, contará una vuelta. Esta señal de conteo se ingresa a un microcontrolador y éste compara el conteo de las dos llantas, verificando que las vueltas que ha dado una llanta y otra sean iguales. Así podemos asegurar que el robot vaya derecho y no verse afectado por alguna piedra que se haya atorado en una llanta y desviado al robot. V.
DIFERENCIA ENTRE SENSOR DE EFECTO HALL Y CÉLULA REED.
Haciendo una comparación entre la célula Reed y un sensor de efecto Hall, podemos disuadir que si queremos realizar una medición y abarcar un amplio rango, es más recomendable utilizar una celular Reed, ya que su alcance sería mayor al de un sensor de efecto Hall. VII.
Es importante que para la realización de aplicaciones, se posean conocimientos básicos en mecánica y electrónica, ya que de esta manera facilita el desarrollo de las mismas y ayuda a diversificar las ideas propuestas para darle una solución adecuada al problema planteado.
Los sensores basados en el efecto Hall detectan la presencia de objetos ferromagnéticos por la deformación que estos provocan sobre un campo magnético. Los sensores/conmutadores Reed de proximidad (frecuentemente referidos como sensores magnéticos) son muy tolerantes al desalineamiento y no presentan inconvenientes con entornos contaminados por polvo y líquido. Constan de dos partes, el conmutador reed y el actuador magnético. El conmutador reed cambia su estado cuando el actuador magnético se acerca a él, sin necesidad de que exista contacto físico entre ambos. La distancia de operación puede variarse con una adecuada elección del actuador magnético. [3] La célula Reed está formada por sensores de efecto Hall para detectar en un área limitada. En cambio el sensor de efecto Hall solo detecta una sección determina . La célula Hall, cuando detecta el campo magnético, genera una pequeña tensión que alimenta la base de un transistor, de modo que el transistor montado con el emisor a masa conduce y pone el colector a masa. Por esta razón al comprobar la señal de mando de un transmisor Hall, cuando la célula está sometida al campo magnético, la onda cuadrada se encuentra a nivel bajo (transistor conduciendo a masa). VI.
CONCLUSIONES.
Los sensores de efecto Hall resultan muy atractivos por su bajo costo y amplio rango de aplicaciones. Una de sus mayores ventajas es que permiten la aislación galvánica y mecánica del objeto de medida. Si deseamos realizar una aplicación en la que se requiera la medición de desplazamientos, de ángulos de rotación o incluso, algún sensado de una variable eléctrica, es razonable el uso de este tipo de sensores ya que son muy precisos y de fácil implementación.
RECOMENDACIONES.
Se recomienda el uso de estos sensores, cuando se utilicen frecuencias de funcionamiento relativamente altas (100kHz), se requiera compatibilidad con otros circuitos electrónicos y un amplio margen de temperatura (-40C a +125C).
VIII.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS
Miguel A. Pérez “Instrumentación electrónica” Ed. Thomson, 2004 cap. 17. [1]
Antonio Creus Sole “Instrumentación Industrial ” 7° ed. AlfaOmega-Marcombo, 2006 pp. 307. [2]
[3] Víctor
R. Gonzales “Fundamentos de robótica ”, artículo de internet, 2002, área de sensores.
