Sensores: los convertidores de una cantidad física a otra (generalmente, a eléctrica) se usan ampliamente en equipos domésticos e industriales. Sin ellos, es muy difícil, si no imposible, medir, digitalizar y procesar parámetros tecnológicos como la presión y el caudal (gas o líquido), la temperatura, nivel, fuerza de campo magnético o eléctrico, etc. Uno de los sensores más utilizados es el sensor Hall: se utilizan tanto en la vida cotidiana (comenzando con teléfonos inteligentes o computadoras portátiles) como en la tecnología industrial más compleja.
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Efecto Hall - principio de funcionamiento
Este efecto fue descubierto en 1879 por el físico estadounidense Edwin Hall y recibió su nombre.La esencia del fenómeno es que si toma una placa de metal y pasa una corriente eléctrica a través de ella (en la dirección AB en la figura), y luego actúa sobre la placa con un campo magnético, por ejemplo, creado por un imán permanente, luego en la dirección perpendicular al paso de la corriente (CD en la figura), habrá una diferencia de potencial.
Este efecto ocurre debido a que la fuerza de Lorentz actúa sobre las cargas en movimiento y las desplaza en una dirección perpendicular a la dirección del movimiento. Como resultado, surge una diferencia de potencial en los bordes de la placa, que se puede medir o utilizar para disparar actuadores (preamplificación). Esta diferencia depende de:
- de la fuerza de la corriente que fluye;
- de la fuerza del campo magnético;
- sobre la concentración de portadores de carga libres en el conductor.
El fenómeno lleva el nombre de su descubridor: el efecto Hall.
Tipos y disposición de sensores Hall
El efecto, descubierto en el siglo anterior, encontró una aplicación práctica. En base a él, se construyen sensores de campo magnético. Su ventaja es que no tienen elementos móviles y de fricción (a diferencia de los interruptores de láminas), por lo que su fiabilidad es mucho mayor. Según el principio de sensibilidad sensores industriales Los salones se dividen en:
- unipolar (reacciona solo a un polo magnético: norte o sur);
- bipolar (se enciende cuando se expone a un campo magnético de una polaridad, se apaga cuando se expone a un campo magnético de polaridad opuesta);
- omnipolar: reacciona a cualquier polo de los imanes.
La diferencia de potencial creada por la acción de un campo magnético sobre cargas en movimiento es unidades, en el mejor de los casos decenas de microvoltios. Para la aplicación práctica, esto no es suficiente, se debe aumentar la diferencia de potencial. Estos amplificadores se integran directamente en el cuerpo de los sensores y, según el tipo de amplificador, los dispositivos se dividen en dos clases.
- Cosa análoga. En ellos, el voltaje a la salida del sensor es proporcional al campo magnético (depende de la fuerza del imán y la distancia a este). Construidos sobre la base de un amplificador operacional y se utilizan para medir campos magnéticos.
- Digital. Después de instalar el amplificador comparador o gatillo Schmitt. El voltaje de salida, cuando la inducción magnética alcanza un cierto umbral, salta de cero a un nivel alto (generalmente al nivel del voltaje de suministro). Dichos sensores se utilizan para construir relés magnéticos o generadores de impulsos. La señal amplificada de la placa se aplica al dispositivo de umbral. Cuando se alcanza el nivel establecido, el sensor se activa. El nivel de disparo se puede ajustar cambiando la distancia desde el sensor hasta la fuente del campo magnético.
Aplicación de sensores Hall
La aplicación más común del sensor Hall en la vida cotidiana son los sistemas de encendido de automóviles sin contacto. Su ventaja es la ausencia de grupos de contacto mecánico. Esto significa que no hay desgaste, no se queman los contactos, no hay riesgo de falla mecánica.
El sistema de distribución incluye un plato con salientes accionados por el cigüeñal del motor, un imán permanente y el propio sensor Hall. Cuando la placa gira, las protuberancias en un momento estrictamente definido, determinado por la posición del cigüeñal, caen en el espacio entre el sensor y el imán, cambiando los parámetros del campo magnético.El sensor genera pulsos sincronizados con la rotación del cigüeñal, que regulan el suministro de voltaje a la bobina de alto voltaje en los puntos de tiempo requeridos. Además, los sensores de campo magnético en el automóvil se utilizan para reconocer la posición del cigüeñal.
Otro uso de los sensores magnéticamente sensibles es determinar la posición de los rotores de los motores eléctricos. El elemento de relé está montado en el estator del motor y se activa cuando pasa el polo. Según este principio, puede construir un cuentarrevoluciones o un medidor de velocidad.
Los dispositivos construidos con el efecto Hall se utilizan en computadoras portátiles o dispositivos móviles, como indicador de la posición cerrada de la tapa. Cuando se activa el sensor, la computadora entra en suspensión o se apaga. Y en los smartphones, una de las funciones del sensor que responde al campo magnético terrestre es la organización de la brújula electrónica.
Los sensores Hall analógicos se utilizan en instrumentos de medición, donde es necesario evaluar el nivel del campo magnético. Son indispensables para la medición sin contacto de la intensidad de la corriente en un conductor. Como sabes, cuando la corriente pasa a través de un conductor, surge un campo magnético a su alrededor. Su intensidad depende de la fuerza de la corriente. Si la corriente es alterna, entonces el campo se puede medir de otras formas (por ejemplo, con un transformador de corriente), pero con corriente continua, un sensor Hall es indispensable. Las pinzas amperimétricas de CC funcionan según este principio.
La aplicación más exótica del efecto Hall es la construcción de motores de cohetes de iones sobre su principio.
Cómo comprobar el rendimiento del sensor Hall
Para verificar el sensor, puede ensamblar un circuito simple, para lo cual, además del sensor en sí, necesitará:
- fuente de alimentación para el voltaje deseado;
- resistor con una resistencia de alrededor de 1 kOhm;
- Diodo emisor de luz;
- imán.
Si no hay LED, entonces en lugar de él (y la resistencia limitadora de corriente) puede usa un multímetro (digital o puntero) en modo de medida de tensión.
No hay requisitos especiales para la fuente de alimentación: las corrientes en el circuito son muy pequeñas. Su voltaje debe estar dentro del voltaje de suministro del sensor bajo prueba. El LED está conectado con el ánodo al más de la fuente de voltaje, el cátodo a la salida del dispositivo bajo prueba, ya que el sensor generalmente se hace con un colector abierto (pero es mejor verificarlo en la hoja de datos).
El procedimiento de prueba depende del tipo de dispositivo bajo prueba.
- Para probar un sensor digital unipolar, debe acercarle un imán con un polo. El LED debe encenderse (la flecha del indicador del voltímetro se desvía o las lecturas del probador digital cambian abruptamente). Cuando el imán se retira una distancia considerable, el circuito debe volver a su posición original. Si el sensor no funciona, es necesario dar la vuelta al imán con el otro polo y repetir el procedimiento. Si el LED parpadea, entonces el sensor está funcionando. Si no se logró el éxito en ninguna posición del imán, el dispositivo no se puede utilizar.
- Un sensor digital bipolar se prueba utilizando una técnica similar, solo el LED se enciende en una posición del imán y no se apaga cuando se retira la fuente del campo magnético. El circuito no debe reaccionar a más manipulaciones con el mismo polo. Si gira el imán y lo acerca al sensor en la polaridad opuesta, el LED debería apagarse. Esto indica la salud del dispositivo bajo prueba.Si el circuito no funciona, entonces el sensor está fuera de servicio.
- Un sensor Hall digital omnipolar se prueba de la misma manera que uno unipolar, pero el dispositivo magnéticamente sensible debería funcionar en cualquier posición del imán.
Los sensores analógicos se verifican de la misma manera que los digitales, pero el voltaje de salida no debe cambiar abruptamente, sino suavemente a medida que aumenta la fuerza magnética (por ejemplo, se acerca un imán permanente o aumenta la corriente en el devanado del electroimán).
Desde un punto de vista práctico, la cuestión de cómo verificar el sensor Hall instalado en el sistema de encendido sin contacto de un automóvil es interesante. Para ello, retire el conector del sensor y monte el circuito indicado directamente en los pines.
Aquí también puede reemplazar el LED con un multímetro. Al girar el cigüeñal del automóvil manualmente, puede observar destellos periódicos del LED o cambios en el voltaje de salida de cero a aproximadamente el voltaje del sistema eléctrico del automóvil. Una forma alternativa de verificar en un garaje es reemplazar temporalmente el dispositivo con un sensor de repuesto en buen estado.
El sensor Hall ha encontrado una amplia aplicación en equipos domésticos e industriales. No es difícil verificar su capacidad de servicio si se comprende el principio de su funcionamiento.
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