Sensor de efecto Hall.

Sensor de Efecto Hall: Fundamentos, funcionamiento y aplicaciones modernas

1. Introducción al sensor de efecto Hall

El sensor de efecto Hall es un dispositivo electrónico que detecta la presencia de un campo magnético y responde generando una pequeña tensión, conocida como tensión Hall. Esta tecnología debe su nombre al físico Edwin Hall, quien descubrió el fenómeno en 1879. Aunque el efecto fue descubierto hace más de un siglo, su aplicación práctica en sensores modernos no despegó hasta la era de los semiconductores.

Hoy en día, los sensores de efecto Hall se encuentran en una variedad de dispositivos, desde computadoras y vehículos hasta máquinas industriales y electrodomésticos.

Figura : En el modo de deslizamiento, utilizando un sensor de efecto Hall bipolar, se pueden colocar dos imanes juntos con polaridad opuesta, creando una transición muy abrupta en el campo magnético general. Esto minimiza el riesgo de activaciones imprecisas.

Figura : sensores de efecto Hall

2. Principio de funcionamiento

El funcionamiento de un sensor Hall se basa en el principio físico que describe el comportamiento de cargas eléctricas en movimiento dentro de un material conductor o semiconductor cuando está sometido a un campo magnético perpendicular a la corriente eléctrica. Cuando esto ocurre, los electrones (o huecos) son desviados hacia uno de los lados del material, generando una diferencia de potencial conocida como tensión Hall.

Esta tensión es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado y puede medirse a través de electrodos colocados en los extremos opuestos del conductor.

Figuras de Aplicaciones :

Figura : Diagrama simplificado de la conmutación mediante un dispositivo de efecto Hall (HED) en un motor de corriente continua sin escobillas.

Figura : Vista desarmada de un motor de corriente continua sin escobillas con conmutación mediante dispositivo de efecto Hall (HED).

Figura : Partes básicas de un codificador magnético.

Figura : Instalación del Interruptor de Efecto Hall en el Distribuidor del automóvil

• Batería ( Battery )
• Conector de 4 terminales ( 4-terminal connector )
• Conector del terminal de bobina de encendido ( Ignition coil connector terminals )
• Ensamble de bobina captadora ( Pick up coil assembly )
• Insertar hoja de cuchillo directamente contra el imán ( Insert knife blade straight down and against magnet )
• Interruptor de efecto Hall ( Hall effect switch )
• Imán ( Magnet )
• Módulo ( Module )
• Quitar el interruptor de efecto Hall del distribuidor ( Remove Hall switch from distributor )
• Terminal "P" ( "P" terminal )
• Terminales debajo ( Terminals underneath )
• Cables de bobina captadora desconectados del módulo ( Pickup coil leads disconnected from module )
• Voltímetro ( Voltmeter )

Este esquema describe cómo se realiza la instalación y verificación del interruptor de efecto Hall en un sistema de encendido basado en distribuidor HEI modificado para control electrónico.

Principales componentes del esquema:

1. Interruptor de efecto Hall (Hall Effect Switch)

• Sensor que reemplaza el sistema tradicional de captación inductiva en algunos sistemas HEI.
• Detecta la presencia de un campo magnético y genera una señal digital precisa indicando la posición del cigüeñal.
• Mejora la exactitud y velocidad de respuesta del sistema de encendido.

• Se utiliza una batería de 12V y un voltímetro.
• Se conecta la batería al interruptor Hall utilizando los terminales inferiores.
• Se debe insertar una hoja de cuchillo (u objeto metálico delgado) directamente contra el imán.
• El voltímetro debe mostrar un cambio de voltaje indicando la correcta respuesta del sensor.

• Pick up coil assembly: Ensamblaje de la bobina captadora.
• Module: Módulo de encendido.
• Terminal "P": Salida de señal primaria hacia la ECM o módulo de control.
• Ignition coil connector terminals: Terminales de conexión a la bobina de encendido.
• 4-terminal connector: Conector principal de alimentación y señales.
• Pickup coil leads disconnected from module: Desconexión de cables de la bobina captadora para facilitar pruebas.
• Remove Hall switch from distributor: Instrucción para retirar el interruptor Hall en caso de inspección o prueba.

• Permite mediciones mucho más precisas de la posición del motor, crucial para sistemas de encendido controlado electrónicamente.
• Reduce el desgaste ya que no hay contacto mecánico.
• Aumenta la fiabilidad a largo plazo respecto de sistemas inductivos convencionales.
• Permite a la ECM manejar de forma más eficiente la sincronización de chispa y las estrategias de avance.

3. Estructura interna y salida del sensor

Un sensor Hall moderno está compuesto por:

• Un elemento sensor semiconductor (normalmente de silicio).
• Una etapa de amplificación integrada.
• Un comparador de señal o Schmitt trigger para proporcionar histéresis.
• Un transistor de salida (generalmente NPN de colector abierto).

Cuando no hay campo magnético presente (estado "off"), la resistencia interna del transistor es alta y el voltaje de salida (a través de una resistencia pull-up) es alto. Al aplicarse un campo magnético (estado "on"), la resistencia baja y el transistor conduce, llevando la salida a bajo nivel.

Esto permite una salida digital clara:

• Alta (HIGH) cuando el sensor está inactivo.
• Baja (LOW) cuando está activado por el campo magnético.

4. Tipos de sensores Hall

• Líneares o analógicos: entregan una salida proporcional a la intensidad del campo magnético. Son útiles en aplicaciones de mediciones precisas.
• Digitales o conmutadores: solo indican si un campo está presente o no. Comunes en detección de posiciones o interrupciones.
• Bipolares: requieren polaridad específica del campo magnético para activarse.
• Unipolares: responden a un solo polo del campo magnético.
• Omnipolares: responden a cualquier polo del imán (norte o sur).

5. Ventajas de los sensores Hall

• No tienen contacto mecánico, lo que reduce el desgaste.
• Operan de forma confiable en entornos sucios, húmedos o con polvo.
• Pequeños, baratos y fáciles de integrar en placas de circuito impreso.
• Son inmunes a vibraciones mecánicas.
• Su salida es limpia, sin rebotes, a diferencia de interruptores mecánicos.

6. Aplicaciones típicas

Los sensores Hall son extremadamente versátiles y se utilizan en diversas industrias:

• Automoción: detección de revoluciones de ruedas, posición del cigüeñal, niveles de combustible, apertura de puertas.
• Informática: detección de tapas en laptops, posicionamiento en discos duros.
• Electrodomésticos: control de velocidad en lavadoras, medidores de flujo en cafeteras o dispensadores de agua.
• Robótica y automatización: detección de presencia, velocidad, dirección o posición.
• Medición de corriente: en fuentes de alimentación o sistemas de energía renovable.

7. Consideraciones técnicas

Al implementar sensores Hall, se deben considerar los siguientes aspectos:

• Orientación del campo magnético: afecta la sensibilidad y la activación del sensor.
• Distancia al imán: debe mantenerse dentro de los límites especificados por el fabricante para garantizar la conmutación.
• Histéresis: evita la activación/desactivación errática ante pequeñas fluctuaciones.
• Protección contra sobrecorriente o inversión de polaridad.
• Tensión de operación: muchos sensores Hall operan entre 3.3V y 5V, aunque también hay versiones para 12V o más.

8. Avances recientes y sensores inteligentes

La miniaturización y mejora de los semiconductores ha llevado al desarrollo de sensores Hall inteligentes, con características como:

• Comunicación digital (I2C, SPI).
• Salidas programables.
• Detección multieje.
• Sensores combinados (Hall + temperatura, Hall + acelerómetro).

Empresas como Allegro Microsystems, Melexis, Infineon y Honeywell lideran el mercado, ofreciendo sensores para automoción de alta precisión y robustez.

9. Comparación con sensores de lengüeta (reed switches)

10. Componentes y Configuración

Un sensor de efecto Hall es un dispositivo que detecta la presencia y magnitud de un campo magnético mediante la generación de un voltaje proporcional al campo aplicado. Estos sensores se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde la medición de corriente hasta la detección de posición y velocidad en sistemas automotrices e industriales.

Los sensores de efecto Hall suelen presentarse en encapsulados de tres pines, similares en apariencia a transistores TO-92, pero ligeramente más pequeños. Estos tres pines corresponden a:

1. VCC (Alimentación): Proporciona la tensión necesaria para el funcionamiento del sensor.
2. GND (Tierra): Completa el circuito eléctrico.
3. Salida (Output): Entrega la señal que indica la detección del campo magnético.

En las variantes de montaje superficial, el tamaño del encapsulado es aún más compacto, facilitando su integración en diseños electrónicos modernos.

Orientación y Sensibilidad

La orientación del sensor respecto al campo magnético es crucial para su correcto funcionamiento. Generalmente, el sensor responde cuando un polo magnético específico se acerca a la cara frontal del dispositivo. La sensibilidad y polaridad exactas pueden variar según el modelo, por lo que es esencial consultar la hoja de datos del fabricante para obtener información detallada sobre la orientación y características específicas del sensor.

Circuito de Conexión

La conexión típica de un sensor de efecto Hall incluye:

• Alimentación (VCC): Conectada al voltaje positivo del sistema.
• Tierra (GND): Conectada a la referencia de tierra del sistema.
• Salida (Output): Este pin suele ser de colector abierto, lo que significa que requiere una resistencia pull-up para funcionar correctamente. La resistencia pull-up se conecta entre la salida y el voltaje positivo, permitiendo que la salida alcance niveles lógicos altos cuando el transistor interno está en estado de alta impedancia. Cuando el sensor detecta un campo magnético, el transistor interno conduce, llevando la salida a un nivel lógico bajo.

Importancia de la Resistencia Pull-Up

La resistencia pull-up es fundamental en la configuración de sensores de efecto Hall con salida de colector abierto. Sin esta resistencia, la salida del sensor quedaría en un estado indefinido cuando el transistor interno no conduce. Al seleccionar el valor de la resistencia pull-up, se deben considerar factores como la velocidad de respuesta deseada y el consumo de corriente. Valores típicos oscilan entre 1 kΩ y 10 kΩ, dependiendo de los requisitos específicos de la aplicación.

Consideraciones Adicionales

• Protección Contra Ruido: En entornos con alto nivel de interferencia electromagnética, es recomendable añadir condensadores de desacoplo cerca del sensor para filtrar el ruido y garantizar una señal de salida estable.
• Compatibilidad de Niveles Lógicos: Asegúrese de que los niveles de voltaje de salida del sensor sean compatibles con los niveles lógicos del sistema al que se conecta, especialmente si se utilizan microcontroladores o dispositivos lógicos con diferentes tensiones de operación.
• Montaje y Alineación: La precisión en el montaje y alineación del sensor respecto al imán o fuente de campo magnético es crucial para obtener mediciones precisas y repetibles.

Al seguir estas pautas y consultar las especificaciones del fabricante, se puede integrar eficazmente un sensor de efecto Hall en una variedad de aplicaciones electrónicas, garantizando un rendimiento óptimo y una detección precisa del campo magnético.

Los sensores de efecto Hall representan una solución moderna, confiable y versátil para una amplia gama de aplicaciones. Su capacidad de detección sin contacto, inmunidad al desgaste y compatibilidad con entornos industriales o embebidos los convierten en una opción preferida en diseño electrónico.

A medida que la tecnología de sensores evoluciona, los sensores Hall continúan integrándose en soluciones más inteligentes y sofisticadas, lo que asegura su relevancia en la industria durante muchos años más.

Términos destacados :