Sensores digitales Hall‑Effect: interruptores unipolares, omnipolares, bipolares y latch explicados

Entendiendo interruptores y latches Hall‑Effect: polaridad, histéresis y aplicaciones prácticas

Los dispositivos Hall‑effect son comparadores de precisión de campo magnético. Evalúan la densidad de flujo magnético —comúnmente llamada campo B— contra umbrales predefinidos y generan un resultado binario. Las cuatro categorías principales de sensores Hall digitales (on/off) son interruptores unipolares, bipolares, omnipolares y latches.

Antes de sumergirnos en la función de transferencia de cada tipo, es esencial clarificar el concepto de polaridad del campo B —un tema recurrente en nuestra discusión.

Definición de polaridad del campo B

Un sensor Hall es intrínsecamente direccional; solo detecta la componente de la densidad de flujo magnético que se alinea con su eje de sensibilidad. La Figura 1 ilustra los ejes de sensibilidad de dos paquetes de sensor comunes.

Figura 1. Cortesía de Texas Instruments.

Si el campo magnético aplicado produce una componente a lo largo del eje de sensibilidad, el campo B se considera positivo. Por el contrario, una componente opuesta al eje es negativa. La Figura 2 demuestra un escenario donde el sensor en la ubicación A experimenta un campo B negativo.

Figura 2.

Asumiendo que el eje de sensibilidad del sensor se alinea con el eje z, las líneas de campo magnético de un imán —originadas en el polo norte y terminando en el sur— crean un campo B negativo en el sensor. Muchos fabricantes adoptan una convención: un polo sur enfrentando la cara frontal (marcada) del sensor genera un campo B positivo, mientras que un polo norte produce uno negativo. Esta convención solo se mantiene cuando los polos del imán enfrentan el lado marcado; invertir la orientación la invalida.

La mayoría de los dispositivos Hall son unidimensionales, detectando a lo largo de un solo eje, pero ICs multi‑elemento pueden proporcionar sensibilidad de tres ejes.

Interruptores unipolares

La Figura 3 muestra el funcionamiento de un interruptor unipolar.

Figura 3.

Sus umbrales —B_OP (punto de operación) y B_RP (punto de liberación)— se encuentran exclusivamente en la región de campo B positivo. El sensor responde solo a un polo sur (campo positivo); un polo norte (campo negativo) no tiene efecto, de ahí el término «unipolar».

Cuando se aplica un campo de polo norte y la intensidad del campo aumenta hacia la dirección positiva, el sensor permanece apagado (lógica alta) hasta que el campo B aplicado supera B_OP. En ese instante, la salida cambia a lógica baja. Si el campo luego disminuye, el sensor se mantiene encendido hasta que el B cae por debajo de B_RP, momento en que revierte a lógica alta. Este umbral asimétrico introduce histéresis, previniendo fluctuaciones rápidas de salida causadas por vibraciones mecánicas o ruido electromagnético, como se ilustra en la Figura 4.

Figura 4. Sin histéresis, la salida puede ser indeterminada alrededor del umbral.

El ancho de histéresis se define como B_HYS = B_OP – B_RP. Dependiendo de la circuitería interna del sensor, los estados lógicos de la salida pueden invertirse, pero el comportamiento de conmutación permanece idéntico.

Interruptores omnipolares

Los interruptores omnipolares se activan cuando la magnitud del campo magnético supera un umbral, independientemente de la polaridad. La Figura 5 muestra la función de transferencia.

Figura 5.

Cuando |B| > B_OP, el sensor se enciende (lógica baja). Cuando |B| < B_RP, se apaga (lógica alta). La misma magnitud de B_OP y B_RP se aplica a campos positivos y negativos, proporcionando operación simétrica.

Latches Hall‑Effect

La Figura 6 ilustra el comportamiento de un latch.

Figura 6.

Un latch presenta un B_OP positivo y un B_RP negativo. Se enciende cuando B > B_OP y se apaga cuando B < B_RP. Entre estos umbrales —es decir, la región de histéresis que abarca de B_RP a B_OP— la salida permanece inalterada, incluso si el campo pasa por cero. En consecuencia, el latch «mantiene» su estado hasta que se aplica un campo de polaridad opuesta y magnitud suficiente.

Como un latch detecta tanto la magnitud como la polaridad del campo B, es ideal para aplicaciones rotativas donde la polaridad de un imán anular alterna, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Cortesía de Allegro.

Para latches, los puntos de operación y liberación son iguales en magnitud pero opuestos en signo (B_OP ≠ –B_RP).

Interruptores bipolares

Los interruptores bipolares proporcionan un B_OP máximo y un B_RP mínimo, pero los valores exactos de umbral pueden variar de unidad a unidad. La Figura 8 presenta tres respuestas de muestra de un mismo lote de fabricación.

Figura 8. Cortesía de Honeywell.

El Dispositivo 1 y el Dispositivo 3 tienen umbrales de la misma polaridad (ambos negativos o ambos positivos), mientras que el Dispositivo 2 exhibe una respuesta tipo latch con B_OP positivo y B_RP negativo. Según la nota «Bipolar Switch Hall‑Effect IC Basics» de Allegro, solo alrededor del 10 % de los interruptores bipolares se asemejan a los Dispositivos 1 o 3; la mayoría muestra comportamiento tipo latch.

Aunque un interruptor bipolar puede ofrecer una banda de histéresis más estrecha (B_HYS = B_OP – B_RP) y mayor sensibilidad que un latch, su variabilidad unidad a unidad requiere un diseño cuidadoso para asegurar operación robusta en el rango de umbrales especificado.

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