Los sensores son transductores de una magnitud física a otra (normalmente una magnitud eléctrica) y se utilizan ampliamente en aparatos domésticos e industriales. Sin ellos es muy difícil, si no imposible, medir, digitalizar y procesar parámetros del proceso como la presión y el caudal (de gas o líquido), temperaturapresión, nivel, intensidad de campo magnético o eléctrico, etc. Uno de los sensores más extendidos es el sensor Hall, que se utiliza tanto en aplicaciones domésticas (empezando por los smartphones o los ordenadores portátiles) como en las aplicaciones industriales más complejas.
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El efecto Hall - principio de funcionamiento
El efecto fue descubierto en 1879 por el físico estadounidense Edwin Hall y lleva su nombre. La esencia del fenómeno es que si se toma una placa metálica y se hace pasar una corriente eléctrica a través de ella (en la dirección AB en la figura) y luego se actúa sobre la placa con un campo magnético, como el creado por un imán permanente, se producirá una diferencia de potencial en la dirección perpendicular al flujo de corriente (CD en la figura).
Este efecto se debe a la fuerza de Lorentz que actúa sobre las cargas en movimiento y las desplaza en una dirección perpendicular a la dirección del movimiento. Esto da lugar a una diferencia de potencial en los bordes de la placa, que puede medirse o utilizarse para accionar actuadores (por amplificación). Esta diferencia depende de:
- la fuerza de la corriente que fluye;
- la intensidad del campo magnético;
- la concentración de portadores de carga libres en el conductor.
El fenómeno recibe el nombre de su descubridor: el efecto Hall.
Tipos y construcción de los sensores Hall
Este efecto, descubierto anteayer, ha encontrado una aplicación práctica. Es la base de los sensores de campo magnético. Su ventaja es que no tienen elementos móviles ni de rozamiento (a diferencia de los interruptores de láminas), por lo que su fiabilidad es mucho mayor. Según su principio de sensibilidad sensores industriales Los sensores Hall se dividen en:
- unipolar (sólo responde a un polo magnético - norte o sur);
- bipolar (activado por un campo magnético de la misma polaridad, desactivado por un campo magnético de la polaridad opuesta);
- omnipolar: responde a cualquiera de los polos de un imán.
La diferencia de potencial creada por un campo magnético que actúa sobre cargas en movimiento es de unidades, en el mejor de los casos de decenas de microvoltios. Esto no es suficiente para las aplicaciones prácticas, la diferencia de potencial debe ser amplificada. Estos amplificadores están integrados directamente en la carcasa del sensor, y los dispositivos se dividen en dos clases según el tipo de amplificador.
- Analógico. La tensión en la salida del sensor es proporcional al campo magnético (depende de la fuerza del imán y de la distancia a él). Se basan en amplificadores operacionales y pueden utilizarse para medir campos magnéticos.
- Digital. Después del amplificador, el comparador o un disparador Schmitt. La tensión de salida salta de cero a un nivel alto (normalmente al nivel de la tensión de alimentación) cuando la inducción magnética alcanza un determinado umbral. Estos sensores se utilizan para construir relés magnéticos o generadores de impulsos. La señal amplificada de la placa se introduce en el dispositivo de umbral. Cuando se alcanza el nivel establecido, el sensor se activa. El nivel de respuesta puede ajustarse cambiando la distancia del sensor a la fuente de campo magnético.
Aplicaciones del sensor Hall
La aplicación más común de los sensores Hall en el hogar es en los sistemas de encendido sin contacto para vehículos. Tienen la ventaja de que no hay grupos de contacto mecánicos. Esto significa que no hay desgaste, no se queman los contactos y no hay riesgo de avería mecánica.
El sistema de distribución contiene una placa con salientes, accionada por el cigüeñal del motor, un imán permanente y el propio sensor Hall. Al girar el plato, las proyecciones chocan con el hueco entre el sensor y el imán en un momento preciso, definido por la posición del cigüeñal, alterando el campo magnético. El sensor genera impulsos, sincronizados con la rotación del cigüeñal, que regulan la tensión aplicada a la bobina de alta tensión en los momentos necesarios. También se utilizan sensores de campo magnético en el vehículo para detectar la posición del cigüeñal.
Otro uso de los sensores magnéticos es determinar la posición de los rotores de los motores eléctricos. El elemento de relé está unido al estator del motor y se dispara cuando se pasa el polo. Este principio puede utilizarse para construir un contador de velocidad o un medidor de velocidad.
Los dispositivos basados en el efecto Hall se utilizan en ordenadores portátiles o dispositivos móviles, como indicador de la posición cerrada de la tapa. Cuando el sensor se activa, el ordenador entra en reposo o se apaga. Y en los smartphones, una de las funciones de un sensor que reacciona al campo magnético de la Tierra es organizar el funcionamiento de una brújula electrónica.
Los sensores Hall analógicos se utilizan en instrumentos de medición, donde es necesario evaluar el campo magnético. Son indispensables para medir sin contacto el flujo de corriente en un conductor. Como sabes, cuando la corriente circula por un conductor, se genera un campo magnético a su alrededor. Su fuerza depende de la fuerza de la corriente. Si la corriente es alterna, el campo puede medirse por otros medios (por ejemplo, un transformador de corriente), pero con la corriente continua es imprescindible un sensor Hall. Este es el principio de funcionamiento de las pinzas de corriente continua.
La aplicación más exótica del efecto Hall es la construcción de motores de cohetes de iones basados en su principio.
Cómo probar un sensor Hall
Para probar el sensor, se puede montar un circuito sencillo que, además del propio sensor, requiere
- Una fuente de alimentación con el voltaje adecuado;
- una resistencia resistencia de aproximadamente 1 kΩ;
- LED;
- imán.
Si no se dispone de un LED, se puede utilizar un multímetro en su lugar (y una resistencia limitadora de corriente). multímetro (medidor digital o multifunción) en modo de medición de tensión.
No hay requisitos especiales para la fuente de alimentación: las corrientes en el circuito son bastante pequeñas. Su tensión debe estar dentro de la tensión de alimentación del sensor bajo prueba. Conecte el LED con su ánodo al lado positivo de la fuente de tensión, con su cátodo a la salida del dispositivo bajo prueba, ya que el sensor suele estar hecho con un colector abierto (pero es mejor comprobarlo con la hoja de datos).
El procedimiento de prueba depende del tipo de dispositivo que se esté probando.
- Para probar un sensor digital unipolar, sostenga un imán con un polo hacia el sensor. El LED debe encenderse (la flecha del voltímetro debe desviarse o la lectura del comprobador digital debe cambiar a pasos agigantados). El circuito debe volver a su posición original cuando se retira el imán a una distancia considerable. Si el sensor no funciona, gire el imán al revés y repita el procedimiento. Si el LED parpadea, el sensor está funcionando. Si no hay éxito en ninguna de las dos posiciones del imán, el dispositivo no es apto para su uso.
- El sensor digital bipolar se prueba con un método similar, salvo que el LED se enciende en una posición del imán y no se apaga cuando se retira la fuente de campo magnético. El circuito no debería responder a una nueva manipulación con el mismo polo. Si inviertes el imán y lo acercas al sensor con la polaridad opuesta, el LED debería apagarse. Esto indica que el dispositivo bajo prueba está funcionando correctamente. Si el circuito no funciona, entonces el sensor está defectuoso.
- Un sensor Hall digital omnipolar se comprueba de la misma manera que un sensor unipolar, pero el dispositivo sensible al imán debe dispararse en cualquier posición del imán.
Los sensores analógicos se comprueban con la misma metodología que los digitales, pero la tensión de salida no debe cambiar repentinamente, sino de forma suave a medida que aumenta la fuerza magnética (por ejemplo, acercándose a un imán permanente o aumentando la corriente en el bobinado del electroimán).
En la práctica, una cuestión interesante es cómo comprobar el sensor Hall instalado en el sistema de encendido sin contacto de un coche. Para ello, retire el conector del sensor y monte el circuito indicado directamente en las patillas.
En este caso también se puede sustituir el LED por un multímetro. Al girar el cigüeñal del coche manualmente, se pueden observar parpadeos intermitentes del LED o cambios en la tensión de salida desde cero hasta aproximadamente la tensión de a bordo del coche. Una forma alternativa de comprobarlo en el garaje es sustituir temporalmente el dispositivo por un sensor de repuesto en buen estado.
El sensor Hall ha encontrado un amplio uso en aplicaciones domésticas e industriales. No es difícil comprobar los fallos si se conoce su funcionamiento.
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