Fundamentos de los sensores magnéticos digitales

Un sensor magnético digital es un dispositivo en el que la salida conmuta entre los estados ON y OFF como efecto de la presencia de un campo magnético externo. Dispositivos de este tipo, basados ​​en el principio físico del efecto Hall , se utilizan ampliamente como sensores de proximidad, posicionamiento, velocidad y detección de corriente. A diferencia de un interruptor mecánico, son una solución duradera, ya que no presentan desgaste mecánico y pueden funcionar incluso en condiciones ambientales particularmente críticas. Los sensores magnéticos digitales están cada vez más extendidos, especialmente en los sectores de la automoción y la electrónica de consumo, gracias a características como funcionamiento sin contacto, falta de mantenimiento, robustez e inmunidad a vibraciones, polvo y líquidos.

En el sector de la automoción, por ejemplo, estos sensores se utilizan para detectar posición, distancia y velocidad. En el interior del motor se utilizan para identificar la posición del cigüeñal, en el habitáculo se utilizan para detectar la posición de los asientos y cinturones de seguridad (información básica para el funcionamiento del sistema de control del airbag), y en las ruedas, detecta la velocidad de rotación que necesita el ABS.

Principio de funcionamiento

El corazón de cada sensor magnético está representado por el elemento Hall, cuyo voltaje de salida (también llamado voltaje Hall e indicado con V _H ) es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético que atraviesa el material semiconductor. Dado que este voltaje es muy bajo, del orden de unos pocos microvoltios, es necesario incluir en el diseño de otros componentes como amplificadores operacionales, comparadores de voltaje, reguladores de voltaje y controladores de salida. Dependiendo del tipo de salida, los sensores magnéticos se dividen en lineales, en los que la tensión de salida analógica varía linealmente con la intensidad del campo magnético, y en digitales, en los que la salida puede asumir solo dos estados. En ambos casos, el V _H voltaje satisface la siguiente ecuación:

V _H =R _H · ((B · I) / t)

donde:V _H es el voltaje Hall en voltios, R _H es el coeficiente de efecto Hall, I es la corriente que fluye a través del sensor en amperios, t es el grosor del sensor en mm y B es la densidad de flujo magnético en Teslas. Figura 1 muestra el diagrama de bloques de un sensor de efecto Hall lineal genérico, mientras que el diagrama de la Figura 2 se refiere a un sensor digital. El elemento Hall está representado en la Figura 1 . por el cuadro cuadrado con una “X” y, según el tipo, un sensor puede incluir múltiples celdas del mismo tipo (se requieren dos para detectar campos magnéticos diferenciales, tres para detectar dirección o movimiento). Para aumentar la flexibilidad de la interfaz, el sensor analógico generalmente incluye un emisor abierto, un colector abierto o un transistor push-pull conectado a la salida del amplificador diferencial. La principal diferencia entre los dos esquemas consiste en que el sensor con salida digital incluye un disparador Schmitt con histéresis incorporada, conectado al opamp.

Cuando el flujo magnético que pasa a través del sensor excede un cierto umbral, la salida cambia de APAGADO a ENCENDIDO. La histéresis se utiliza para eliminar cualquier oscilación de la señal de salida cuando el sensor entra y sale del campo magnético. Los dispositivos basados ​​en el efecto Hall se dividen en sensores unipolares y bipolares. Los sensores bipolares requieren un campo magnético positivo (polo sur) para funcionar y un campo magnético negativo (polo norte) para su liberación. Los sensores unipolares requieren un solo polo magnético (polo sur) tanto para su funcionamiento como para su liberación. Además, los sensores normalmente están diseñados para producir una salida en estado APAGADO (circuito abierto) en ausencia de un campo electromagnético y una salida en estado ENCENDIDO (circuito cerrado) cuando están sujetos a un campo magnético de intensidad suficiente y con la correcta polaridad.

Aplicaciones

Independientemente del tipo particular de aplicación, un requisito fundamental para el correcto funcionamiento de los sensores de efecto Hall es que las líneas de flujo magnético sean siempre perpendiculares a la superficie del sensor y tengan la polaridad correcta. Las aplicaciones de los sensores magnéticos digitales son muchas, incluidas la automoción, la electrónica de consumo, los sistemas electromédicos, las telecomunicaciones, el control de procesos industriales. Los sensores de posición se utilizan para detectar un movimiento de deslizamiento entre el imán y el sensor, con los dos elementos colocados a una distancia muy corta. El movimiento relativo entre el imán y el sensor genera un campo magnético positivo cuando el sensor se mueve hacia el sur y un campo magnético negativo cuando el sensor se mueve hacia el polo norte.

Hay varias técnicas disponibles para determinar la posición:por ejemplo, si la aplicación requiere una posición limitada y discreta, se pueden usar interruptores simples, mientras que para aplicaciones que requieren mayor precisión, se puede usar un dispositivo lineal en combinación con un microprocesador. Los sensores de posición o proximidad también se pueden utilizar para controlar el nivel de un líquido, con aplicaciones en electrodomésticos como lavadoras o lavavajillas. En este caso, se utilizan varios interruptores Hall en combinación con un imán colocado en el flotador.

Cuando el flotador sube dentro del tubo, se activan los correspondientes interruptores discretos situados fuera de la carcasa, proporcionando una indicación digital del nivel del agua. Otra aplicación importante se refiere a los motores sin escobillas de CC, cuya velocidad se controla mediante conmutación eléctrica en lugar de mecánica. En este sentido, tres sensores magnéticos digitales se colocan en el estator del motor, mientras que los imanes permanentes se colocan en el eje del rotor. El sector de la automoción se ha convertido en líder en el mercado mundial de sensores de campo magnético, y representa más del 40% de la cuota de mercado. La creciente demanda de integrar múltiples funciones de seguridad en los automóviles ha creado una oportunidad para los sensores Hall, explotados en varias aplicaciones relacionadas con la seguridad, como el Sistema de control electrónico de estabilidad (ESC) y el Sistema de frenos antibloqueo (ABS).

Un ejemplo de sensores magnéticos digitales para la detección de posición es la familia de dispositivos Allegro MicroSystems A1210-A1214. Con la certificación AEC-Q100 para aplicaciones automotrices, los sensores de la serie A121x ofrecen alta confiabilidad con operación estable y continua en el rango extendido de temperatura, desempeño robusto de EMC y alta calificación ESD. Los pestillos de efecto Hall A1210-A1214 incluyen lo siguiente en un solo chip de silicio:regulador de voltaje, generador de voltaje Hall, amplificador de pequeña señal, disparador Schmitt y transistor de salida NMOS.

La salida de estos dispositivos cambia a nivel bajo (se enciende) cuando un campo magnético perpendicular al elemento Hall excede el umbral del punto de operación. El sensor presenta un comportamiento de enganche, es decir, un polo sur de suficiente fuerza enciende el dispositivo y permanece encendido también después de retirar el polo sur. Cuando el campo magnético se reduce por debajo del punto de liberación, la salida del sensor aumenta (se apaga). La diferencia en los puntos de operación y liberación magnéticos es la histéresis del dispositivo.

Los sensores magnéticos también son adecuados para la detección precisa de la posición angular. Un ejemplo es el codificador rotatorio magnético AMS AS5048A / AS5048B, un sensor que proporciona una salida de alta resolución de 14 bits para la detección de posición angular de 360 ​​°. La figura 3 muestra los principales bloques funcionales del dispositivo:sensor Hall, convertidor analógico-digital y procesamiento de señales digitales. Se puede acceder directamente a la posición absoluta del imán a través de una salida PWM y se puede adquirir a través de un SPI estándar o una interfaz I²C de alta velocidad, según la versión. La posición cero se puede programar mediante el comando SPI o I²C, lo que simplifica el sistema general, ya que no es necesario alinear mecánicamente el imán. El sensor tolera la desalineación, las variaciones del espacio de aire, la temperatura y las variaciones del campo magnético externo. La confiabilidad, la robustez y el amplio rango de temperatura lo hacen ideal para la detección del ángulo de rotación en entornos industriales y médicos severos.

Conclusión

Los sensores digitales magnéticos de efecto Hall son bien conocidos entre los diseñadores por su robustez, durabilidad y operación confiable para cualquier aplicación de detección de posición. Ya sea simplemente detectando el cierre de la tapa de una computadora portátil o realizando una conmutación compleja del motor y una medición de posición precisa, los sensores de efecto Hall detectarán la posición con extrema precisión incluso en las condiciones ambientales más severas.

Por S. Lovati, ingeniero electrónico y autor técnico