Sensores de efecto Hall: principio de funcionamiento, 5 aplicaciones importantes

Contenido:

• Introducción
• Sensores magnéticos
• Sensores de efecto Hall
• ¿Qué es el voltaje Hall (V_H)?
• Coeficiente Hall (R_H)
• Construcción de sensores de efecto Hall
• Símbolo del sensor de efecto Hall
• Principio de funcionamiento de los sensores de efecto Hall
• Experimento de efecto Hall
• Analógico y digital Sensor de efecto Hall
• Tipo de sensores de efecto Hall
• Aplicaciones de los sensores de efecto Hall

Sensores magnéticos

Los sensores magnéticos son dispositivos que pueden detectar y analizar campos magnéticos generados por Magnet o actual. Se pueden utilizar para diferentes tipos de aplicaciones, como detectar el cambio en la posición y el ángulo de un campo magnético, detectar el cambio en la fuerza o la dirección del campo magnético aplicado, etc.

Hay varios tipos de sensores magnéticos como el sensor de efecto Hall (interruptores Hall, sensores Hall lineales, etc.) que se utilizan para detectar un cambio en la fuerza del campo magnético, sensor Magneto resistivo que se utiliza para detectar un cambio en la dirección del campo magnético. , sensores de ángulo utilizados para detectar un cambio en el ángulo de un campo magnético, sensores 3D Hall y sensores de velocidad magnéticos. Los sensores de efecto Hall se emplean en una amplia gama de aplicaciones, como sensores de proximidad, medición de posición y velocidad, etc. Incluso se utilizan en impresoras de computadoras, cilindros neumáticos, teclados de computadoras, etc.

Los sensores magnéticos son generalmente un dispositivo de estado sólido que tiene una gran demanda hoy en día debido a su alta precisión y exactitud, operación sin contacto, costo de mantenimiento comparativamente bajo, diseño compacto, etc. Ahora son sensores magnéticos sin núcleo dedicados para diferentes tipos de Hay aplicaciones industriales disponibles, por ejemplo, los dispositivos sellados de efecto Hall son a prueba de agua y están fabricados de tal manera que también resisten cualquier vibración.

Los sensores magnéticos se utilizan ampliamente en los sistemas automotrices, especialmente para analizar la posición de los asientos del automóvil, los cinturones de seguridad y para controlar el sistema de bolsas de aire y también para la detección de la velocidad de rotación de las ruedas para el sistema de frenos antibloqueo (ABS).

Sensores de efecto Hall

Los sensores de efecto Hall son sensores magnéticos cuya salida depende del campo magnético o de la densidad de flujo magnético alrededor del sensor magnético.

• La palabra "Hall" proviene de Dr. Edwin Hall, quien descubrió este Efecto Hall por primera vez.
• Si hay un campo magnético externo vertical al objeto a través del cual pasa la corriente, se generará una fuerza electromotriz en la dirección perpendicular al campo magnético y a la corriente.

¿Qué es el voltaje Hall (V_H)?

Si se aplica un campo magnético externo en el sensor magnético, se activa. El voltaje de salida del sensor de efecto Hall es proporcional a la fuerza del campo magnético aplicado que pasa. Después de que el campo externo excede un umbral particular de densidad de flujo magnético, se genera un voltaje de salida, que comúnmente se conoce como Voltaje Hall (V_H).

Coeficiente Hall (R_H)

La cantidad de la diferencia de potencial por unidad de espesor de la franja metálica en el efecto Hall distribuida por el producto de la intensidad magnética y la densidad de corriente longitudinal.

Las unidades del coeficiente de Hall R_H se transmiten en general como m³/ C o Ω · cm / G.

Construcción de sensores de efecto Hall:

Diseño de sensor Hall

Los sensores de efecto Hall generalmente consisten en una pieza rectangular de semiconductor como el indio. antimonita (InSb) o arseniuro de galio (GaAs) conocido como sonda Hall montada en un placa de aluminio y cubierto por completo dentro del cabezal de la sonda. Un mango de la sonda hecho de un material no magnético está conectado con el cabezal de la sonda de manera que el plano de la placa rectangular de semiconductor es perpendicular al mango de la sonda.

Cuando se activa el dispositivo, se produce un flujo continuo de corriente a través del semiconductor. Si las líneas del campo magnético externo están en ángulo recto con el cabezal de la sonda, de modo que las líneas archivadas pasan por los ángulos rectos a través del sensor de la sonda, se origina un voltaje que se conoce como voltaje de "efecto Hall" y el dispositivo proporciona una lectura. de densidad de flujo magnético (B) del campo externo.

Símbolo del sensor de efecto Hall:

¿Qué es el transductor de efecto Hall?

Principio de funcionamiento de los sensores de efecto Hall

• El sensor de efecto Hall funciona principalmente por el efecto de la Fuerza de Lorentz (es la fuerza que experimenta una partícula cargada debido a un campo eléctrico o un campo magnético, es decir, simplemente un electromagnético campo).

• En presencia de un campo magnético externo existente de magnitud suficiente, los electrones en la placa semiconductora se desvían hacia un borde de la placa, es decir, los agujeros y los electrones se desplazan hacia ambos lados de la placa debido a la fuerza de Lorentz que actúa sobre ellos.

• Para esto, un lado del semiconductor tiene carga negativa y el lado opuesto resulta tener carga positiva. Esto produce un gradiente de voltaje a través de los dos lados opuestos de la losa rectangular debido a la acumulación de cargas opuestas en estos dos lados. Este voltaje se conoce como voltaje Hall (V_H), y el efecto de generar este voltaje Hall medible mediante el uso de un campo magnético externo se conoce como Efecto Hall.

• Para generar una diferencia de potencial tal que se produzca un voltaje medible, las líneas del campo magnético externo deben estar en ángulo recto con el plano donde la corriente fluye a través de la losa. Además, se debe proporcionar una polaridad correcta para que funcionen los sensores de efecto Hall.

• A medida que los electrones y los huecos se separan unos de otros, se genera un gradiente de potencial y la separación aumenta hasta que la fuerza debida al campo eléctrico equilibra la fuerza producida por el campo magnético. Cuando ambas fuerzas se equilibran entre sí, la corriente no cambia y se ha calculado el voltaje Hall que se detecta en este punto y a partir de esta densidad de flujo magnético (B).                       

• Si el voltaje de salida depende linealmente de la densidad de flujo magnético, entonces lo llamamos sensores lineales de efecto Hall, y si hay una fuerte disminución del voltaje de salida a una densidad de flujo magnético diferente, entonces se llama sensor de efecto Hall de umbral.

• Hemos oído hablar de sensores inductivos que responden a un campo magnético cambiante cuando induce una corriente en una bobina de alambre y, por lo tanto, genera un voltaje en su salida. Por lo tanto, los sensores inductivos solo pueden detectar campos magnéticos estáticos (no cambiantes), mientras que los sensores de efecto Hall pueden detectar campos magnéticos tanto cambiantes como no cambiantes.

• El sensor de efecto Hall puede proporcionar información sobre el tipo de polo magnético utilizado para generar el voltaje y también la magnitud de la densidad de flujo magnético externo (B). Usando un grupo de sensores, podemos encontrar la posición relativa del imán externo utilizado.

• El voltaje de salida del sensor de efecto Hall es generalmente de una magnitud bastante pequeña, como unos pocos microvoltios, incluso cuando se aplica un fuerte campo magnético externo a través del sensor. Por lo tanto, la mayoría de los sensores de efecto Hall disponibles comercialmente están construidos con un amplificador de CC incorporado y reguladores de voltaje para mejorar la sensibilidad del sensor y la magnitud del voltaje de salida.

Experimento de efecto Hall

Sensor de efecto Hall analógico y digital

La salida del sensor de efecto Hall puede ser lineal (analógica) o digital. La salida del sensor de efecto Hall lineal es directamente proporcional al campo magnético externo, es decir, la densidad de flujo magnético que pasa a través del sensor y la salida se toma de la salida del OP-AMP diferencial. Los sensores lineales (analógicos) de efecto Hall tienen una salida de voltaje continuo que cambia según la fuerza de los cambios del campo magnético externo.

Fórmula del sensor de efectos Hall:

La salida del sensor de efecto Hall lineal se puede expresar como:

Dónde,

• V_H es el voltaje Hall
• R_H es el coeficiente de efecto Hall
• I es la corriente que fluye a través del sensor (placa semiconductora)
• t es el grosor del sensor
• B es la densidad de flujo magnético externo

En el caso del sensor digital de efecto Hall, la salida del sensor digital se toma de la salida del OPAMP, que a su vez está conectado con un disparador Schmitt con histéresis lo que reduce las oscilaciones en el voltaje de salida. En este caso, solo cuando la intensidad del campo externo es mayor que un valor específico en el dispositivo, el dispositivo cambia a la condición de ENCENDIDO desde la condición de APAGADO.

Tipo de sensores de efecto Hall:

Dependiendo del tipo de polo magnético externo requerido para su funcionamiento, los sensores de efecto Hall son de dos tipos.

1. Bipolar
2. Unipolar

Las dos configuraciones de detección más comunes en un sensor de efecto Hall que utiliza un solo imán son la detección frontal y la detección lateral. En la detección lateral, se requiere mover el imán en un movimiento lateral frente a la cara del elemento de efecto Hall. Durante la detección frontal, el imán se acerca y se aleja del elemento de pasillo de forma perpendicular al plano del elemento.

Aplicaciones de los sensores de efecto Hall:

• Sensor de posición: Cuando opera en el modo de encendido/apagado, es decir, tiene una salida digital, detectando la ocurrencia de magnético materiales es una de las aplicaciones industriales importantes de los sensores de efecto Hall.
• Transformadores DC: El sensor de efecto Hall se utiliza para medir el flujo magnético de CC y, como resultado, se puede calcular la corriente de CC.
• Interruptor de teclado: Para algunos teclados de computadora, se utilizan interruptores de efecto Hall. Pero debido a su costo comparativamente alto, se limita al campo aeroespacial y militar por su alta confiabilidad.
• Indicador de nivel de combustible: El sensor de efecto Hall detecta la posición de un elemento flotante mediante la detección de posición y se emplea como indicador de nivel de combustible de automóviles.
• Cinta de correr eléctrica: Los sensores Hall se utilizan aquí para sensores de velocidad y también para paradas de emergencia debido a cualquier caída accidental. La pretina del usuario en la caminadora está unida a un cordón de tracción que a su vez está unido a un imán. Si el usuario cae accidentalmente, el imán se desprende y hay una interrupción del suministro eléctrico que detiene la máquina.

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