Sensor Hall, un dispositivo presente en nuestras vidas
La tecnología servo (sistema auxiliar que se utiliza para control) es sinónimo de velocidad y precisión, para lo cual, se vale de diversos dispositivos de retroalimentación que permiten determinar la exactitud del cumplimiento de las variables involucradas en el control de movimiento. Cuando se implementa correctamente, la retroalimentación posicional puede permitir que múltiples actuadores se muevan juntos de manera sincrónica, utilicen posiciones de memoria preestablecidas y se desplacen con mayor exactitud y precisión. Tanto los codificadores ópticos como los sensores de efecto Hall son populares para leer la retroalimentación posicional de un motor con buena precisión; sin embargo, cada opción de retroalimentación ofrece diferentes beneficios que pueden favorecer a determinadas aplicaciones más que a otras. En este artículo se trata la retroalimentación magnética la cual ofrece precisión, pero también costo-beneficio en el posicionamiento inteligente para obtener:
- Alta sensibilidad
- Soportar altas temperaturas
-Repetibilidad y estabilidad
- Garantía de continuidad de la operación
Dentro de este esquema, el sensor Hall es un aliado clave para dichos fines.
Principios básicos del sensor de efecto Hall
El principio de funcionamiento de dicho sensor fue descubierto por Edwin Herbert Hall (1855 - 1938) quien fue un físico estadounidense. Hall trabajó en la universidad de Harvard. Descubrió el efecto que lleva su nombre en 1879 mientras trabajaba en su tesis doctoral en física, recibió el doctorado en 1880. Este efecto consiste en la aparición de un campo eléctrico transversal a un conductor sobre el que circula una corriente eléctrica en presencia de un campo magnético. Los experimentos de Hall mostraban que los portadores de cargas eran partículas cargadas negativamente.
El efecto Hall implica necesariamente un material conductor a través del cual transita corriente eléctrica y sobre la cual se ejerce una fuerza magnética de manera perpendicular. En términos prácticos, a una placa conductora se le aplica un voltaje en sus extremos, por lo que, los electrones comienzan a fluir linealmente del polo negativo al positivo; sin embargo, al acercarles un imán de forma perpendicular, las cargas positivas y negativas son enviadas hacia los extremos transversales y se produce, con ello el voltaje transversal Hall (VH).
Video en: https://www.youtube.com/watch?v=pEjzUqLAJAM
El efecto Hall está estrechamente relacionado con la fuerza de Lorentz, la cual refiere que cuando una partícula cargada está en reposo dentro de un campo magnético, tal partícula no sufre la acción de ninguna fuerza; sin embargo, cuando la partícula se encuentra en movimiento, al estar cerca de un campo magnético experimenta la acción de dicha fuerza magnética.
La salida de este sensor puede ser proporcional a la intensidad y dirección del campo magnético, o puede ser binaria, según los componentes electrónicos integrados en el paquete de detección.
Apliaciones del efecto Hall
Es ampliamente utilizado como sensor de proximidad, posición, corriente y velocidad, por lo tanto, las ventajas que ofrecen a la tecnología servo son innumerables. Los sensores de efecto Hall, particularmente, suelen estar hechos de semiconductores (silicio o germanio), por ello, miden el voltaje Hall en dos de sus caras cuando se les coloca en un campo magnético.
Estos sensores son completamente electrónicos, por lo que, pueden realizar su función de manera distante; son inmunes al ruido electrónico, así como al polvo y no tienen partes móviles, aspectos que los hacen aún más confiables en su funcionamiento. Se describe dos tipos de detección de efecto Hall:
Los sensores unipolares responden a un polo del imán, lo que permite realizar mediciones en solo la mitad del rango de movimiento.
Los bipolares responden tanto a los polos norte como sur de un imán y permiten realizar mediciones en ángulos más amplios.
Aplicaciones específicas:
1. Medición de Campos Magnéticos
Los sensores de efecto Hall, pueden medir la magnitud y dirección de un campo magnético. Estos sensores son ampliamente utilizados en una variedad de campos, incluyendo la física experimental, la geología y la industria automotriz. Los vehículos tienen un número excepcional de piezas móviles y los sensores se pueden implementar para monitorear las operaciones internas. Al tener mejor detección, se puede mejorar la eficiencia en automóviles tradicionales y vehículos eléctricos. En los autos, se utilizan para medir la velocidad de las ruedas, la posición del cigüeñal, la temperatura del motor, el flujo de combustible y la posición del acelerador, entre otras aplicaciones.
2. Detección de la Corriente Eléctrica
El efecto Hall también se utiliza para medir corrientes eléctricas sin necesidad de contacto directo. En comparación con otras técnicas de medición de corriente, los sensores de efecto Hall ofrecen la ventaja de no interferir con el circuito eléctrico que se está midiendo. Estos sensores se usan comúnmente en la industria electrónica y de energía para medir corrientes de alta frecuencia o alta intensidad.
3. Identificación de las Propiedades de los Materiales
El voltaje Hall generado en un material puede revelar propiedades fundamentales del mismo, como la densidad y tipo de portadores de carga (electrones o huecos). Por lo tanto, el efecto Hall es una herramienta útil en la investigación de semiconductores, permitiendo identificar y caracterizar nuevos materiales.
4. Control y Posicionamiento en Sistemas Electrónicos
Por ejemplo, en los motores brushless (sin escobillas) de corriente continua, se utilizan para determinar la posición del rotor y así controlar el tiempo de conmutación de los devanados del estator. Además, estos sensores se encuentran en los controles de joystick de muchos dispositivos, desde consolas de videojuegos hasta equipos industriales, proporcionando información precisa sobre la posición del control.
5. Uso en Biomedicina
El efecto Hall también ha encontrado aplicaciones en el campo de la biomedicina. Los biosensores basados en este efecto son capaces de detectar biomoléculas magnéticas y se utilizan en técnicas de diagnóstico médico, como la detección de bacterias o la medición de la concentración de ciertos iones.
6. En la Física del Estado Sólido
El efecto Hall es esencial para explorar nuevas fases de la materia y entender fenómenos exóticos como la superconductividad y el aislamiento topológico.
Fortalezas y debilidades de los sensores de efecto Hall
Beneficios
Detección sin contacto: Los sensores de efecto Hall no requieren contacto físico con su elemento de detección Hall, lo que reduce el desgaste y aumenta la vida útil del dispositivo.
Robustez: son más robustos y resistentes a factores ambientales como el polvo, la suciedad y la vibración, lo que aumenta su confiabilidad general en aplicaciones con condiciones operativas adversas.
Instalación sencilla: son relativamente fáciles de instalar y requieren menos alineación en comparación con los codificadores ópticos.
Menor costo: generalmente tienen un precio más asequible en comparación con los codificadores ópticos.
Desventajas
Menor resolución: los sensores de efecto Hall suelen tener una resolución más baja en comparación con los codificadores ópticos, lo que puede causar limitaciones en su idoneidad para aplicaciones que requieren una precisión muy alta.
Velocidad limitada: tienen más limitaciones en términos de la velocidad máxima a la que pueden detectar con precisión la posición.
Interferencia magnética: Los imanes internos de los sensores de efecto Hall pueden verse afectados por la interferencia magnética del exterior, lo que afecta la precisión y confiabilidad de la retroalimentación en ciertos entornos.
Sensibilidad a la temperatura: las propiedades magnéticas de los sensores de efecto Hall pueden verse afectadas debido a las variaciones de temperatura, lo que puede requerir compensación o calibración adicional en aplicaciones con grandes cambios en el rango de temperatura.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2024.-
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