Entendiendo el Efecto Hall y el Funcionamiento de los Sensores de Efecto Hall

Introducción

En este tutorial aprenderemos qué es el efecto Hall y cómo funcionan los sensores de efecto Hall. Puede ver el siguiente video o leer el tutorial escrito a continuación.

Visión General

El efecto Hall es el método más común para medir campos magnéticos y los sensores de efecto Hall son muy populares y tienen muchas aplicaciones contemporáneas. Por ejemplo, se pueden encontrar en vehículos como sensores de velocidad de rueda, así como sensores de posición de cigüeñal o árbol de levas. También se utilizan a menudo como interruptores, brújulas MEMS, sensores de proximidad, entre otros. Ahora revisaremos algunos de estos sensores y veremos cómo funcionan, pero primero expliquemos qué es el efecto Hall.

¿Qué es el Efecto Hall?

Aquí está el experimento que explica el efecto Hall: Si tenemos una placa conductora delgada, como se ilustra, y hacemos fluir corriente a través de ella, los portadores de carga fluirían en línea recta de un lado a otro de la placa.

Ahora, si acercamos un campo magnético cerca de la placa, perturbaríamos el flujo recto de los portadores de carga debido a una fuerza, llamada fuerza de Lorentz. En tal caso, los electrones se desviarían hacia un lado de la placa y los huecos positivos hacia el otro lado. Esto significa que si ponemos un medidor ahora entre los otros dos lados, obtendremos un voltaje que puede medirse.

Así, el efecto de obtener un voltaje medible, como explicamos anteriormente, se llama efecto Hall en honor a Edwin Hall, quien lo descubrió en 1879.

Sensores de Efecto Hall

El elemento Hall básico de los sensores magnéticos de efecto Hall proporciona principalmente un voltaje muy pequeño de solo unos pocos microvoltios por Gauss, por lo que estos dispositivos suelen fabricarse con amplificadores de alta ganancia integrados.

Existen dos tipos de sensores de efecto Hall: uno que proporciona salida analógica y otro digital. El sensor analógico está compuesto por un regulador de voltaje, un elemento Hall y un amplificador. Del esquema del circuito podemos ver que la salida del sensor es analógica y proporcional a la salida del elemento Hall o a la intensidad del campo magnético. Estos tipos de sensores son adecuados y se utilizan para medir proximidad debido a su salida lineal continua.

Por otro lado, los sensores de salida digital proporcionan solo dos estados de salida, ya sea "ENCENDIDO" o "APAGADO". Estos sensores tienen un elemento adicional, como se ilustra en los esquemas del circuito. Ese es el disparador Schmitt que proporciona histéresis o dos niveles de umbral diferentes para que la salida sea alta o baja. Para más detalles sobre cómo funciona el disparador Schmitt, puede consultar mi tutorial particular sobre eso.

Un ejemplo de este tipo de sensor es el interruptor de efecto Hall. A menudo se utilizan como interruptores de fin de carrera, por ejemplo en impresoras 3D y máquinas CNC, así como para detección y posicionamiento en sistemas de automatización industrial.

Otras aplicaciones contemporáneas de estos sensores son la medición de velocidad de rueda/rotor o RPM, así como la determinación de la posición del cigüeñal o árbol de levas en sistemas de motor. Estos sensores están compuestos por un elemento Hall e imán permanente que se colocan cerca de un disco dentado unido al eje giratorio.

La brecha entre el sensor y los dientes del disco es muy pequeña, por lo que cada vez que un diente pasa cerca del sensor, cambia el campo magnético circundante, lo que hará que la salida del sensor vaya alta o baja. Así, la salida del sensor es una señal de onda cuadrada que puede utilizarse fácilmente para calcular el RPM del eje giratorio.