Detectores de proximidad de efecto Hall

Introducción

Las aplicaciones de automatización industrial requieren a menudo la detección de objetos. Existen muchos tipos de sensores diseñados para detectar la presencia de objetos de casi cualquier material.

Los sensores de efecto Hall están especialmente diseñados para detectar objetos magnéticos. Suelen encontrarse en aplicaciones de medición de velocidad/posición.

¿Qué es un sensor de proximidad de efecto Hall?

Sensores de efecto Hall pertenecen a la familia de sensores de proximidad. Detectan la presencia utilizando la magnitud del campo magnético creado por un objeto. El principio de Efecto Hall se utiliza para detectar la presencia y la intensidad de un campo magnético.

Los sensores de efecto Hall pueden detectar cualquier objeto magnético que tenga la polaridad correcta y la fuerza suficiente. Esto incluye electroimanes e imanes permanentes como neodimio imanes.

Los sensores Hall se utilizan en aplicaciones de detección de posición, proximidad y velocidad. Por ejemplo, los automóviles actuales utilizan sensores de efecto Hall para calcular la velocidad del vehículo, la posición del cigüeñal del motor y la velocidad.

Uno de los sistemas más populares que utilizan sensores de efecto Hall es el Freno antibloqueo (ABS) en vehículos. En aplicaciones de automatización, los sensores Hall se utilizan en control motor e incluso Detección de corriente continua.

¿Cómo funciona un sensor de proximidad de efecto Hall?

Los sensores de efecto Hall consisten principalmente en una fina pieza de semiconductor rectangular. El semiconductor suele ser de arseniuro de galio (GaAs), arseniuro de indio (InAs) o antimonuro de indio (InSb).

Por este conductor pasa una corriente continua en todo momento. Cuando se coloca un imán cerca de este semiconductor delgado, se interrumpe el flujo de corriente desviando los portadores de carga en el semiconductor.

Este fenómeno hace que se acumule una diferencia de tensión, perpendicular al flujo de corriente y a través del semiconductor. Esto se muestra en la imagen anterior como cargas positivas y negativas. 

Esta tensión se denomina Tensión Hall, nombre del físico Edwin Herbert Hall que lo descubrió. Para generar una diferencia de voltaje medible, el imán debe ser:

• Las líneas de flujo magnético deben ser perpendiculares
• El polo hacia el sensor debe tener la polaridad correcta. Suele ser el polo sur del imán.

Un sensor de efecto Hall típico tiene el siguiente diagrama de bloques que representa la funcionalidad de su circuito.

El regulador de tensión proporciona una tensión suave y estable para el sensor, el amplificador y otros componentes.

Cuando se coloca un objeto magnético cerca del sensor, la tensión Hall aumenta. El amplificador amplifica esta diferencia para alimentar el disparador schmitt y proporcionar una salida limpia y sin fluctuaciones.

Cuando la señal amplificada supera un determinado umbral, se activa el disparador schmitt. La señal del disparador schmitt activa el transistor. 

El transistor funciona como dispositivo de conmutación de salida, que activa o desactiva la salida. El componente de la etapa de salida depende del tipo de salida del sensor.

Puede ser un transistor (NPN/PNP), un relé o incluso la señal analógica bruta que representa la intensidad del campo magnético.

¿Cuáles son los tipos de sensores de efecto Hall?

Los sensores de efecto Hall pueden clasificarse de múltiples maneras.

• Sensores de efecto Hall bipolares y unipolares
  • Los sensores bipolares también se denominan "de enclavamiento". Sus salidas se activan cuando hay un campo magnético positivo (polo sur). Para desconectar/desconectar la salida, debe aplicarse un campo negativo (polo norte).
  • Los sensores unipolares activan la salida cuando hay un polo sur magnético y la desactivan cuando se retira el imán.
• Salidas digitales y analógicas
  • Los sensores de tipo de salida digital emiten una salida lógica HIGH o LOW distinta, mientras que los sensores analógicos emiten un rango de valores como 0-5V o 4-20mA.

¿Cuál es el alcance de un sensor de efecto Hall?

Los sensores Hall tienen un rango de funcionamiento típico de 0-40 mm. Sin embargo, esto también depende directamente de la densidad de flujo magnético del objeto.

Los imanes más fuertes tienen más influencia y pueden activar el sensor a una distancia relativamente mayor. Los imanes más débiles deben colocarse muy cerca del sensor para activarlo.

¿Cuál es la diferencia entre un sensor Hall y un sensor inductivo?

La principal diferencia entre estos dos sensores es la forma en que detectan los objetos. Los sensores de proximidad inductivos generan su propio campo magnético y controlan el cambio del campo para detectar objetos.

Esto significa que el sensor controla el cambio en su propio campo magnético por objetos externos. 

Los sensores de efecto Hall controlan los campos magnéticos externos. Requieren que el objeto detectado cree su propio campo magnético. Por lo tanto, los sensores de efecto Hall sólo pueden detectar imanes permanentes y electroimanes.

Los sensores de proximidad inductivos pueden detectar muchos tipos de metales, como hierro, cobre y aluminio.

Los detectores de proximidad de efecto Hall son sensibles a las interferencias magnéticas. Los sensores de proximidad inductivos son relativamente tolerantes a estas interferencias. Sin embargo, el rendimiento de ambos sensores puede verse afectado por las temperaturas extremas y la acumulación de virutas.

Si se tiene en cuenta la complejidad de la instalación, los sensores inductivos son relativamente más fáciles de instalar porque pueden utilizar parte de la máquina como objeto de detección (es decir, detección de límites).

Los sensores Hall requieren un accesorio magnético especial que se fija a la máquina aparte del propio sensor (es decir, la detección de la velocidad de las ruedas).

Cómo utilizar un sensor de efecto Hall con Arduino

Al igual que los sensores de proximidad industriales, existen versiones en miniatura disponibles en el mercado. Los US5881/US1881 son algunos de los sensores de efecto Hall más populares que son compatibles con 5 V.

Esto significa que podemos integrarlos fácilmente con un Arduino para detectar objetos magnéticos.

La imagen de abajo muestra el cableado típico de un US1881 a un arduino. La resistencia de 10k actúa como resistencia pull-up para proporcionar una entrada estable al Arduino cuando no se detecta ningún objeto.

El pin de salida del US1881 puede conectarse a cualquier pin digital del Arduino. Si el sensor se utiliza para medir la velocidad de una rueda, utilizar un pin que soporte interrupciones externas puede ser beneficioso.

En este ejemplo, la salida del sensor Hall está conectada al pin 2 del Arduino Uno.

Este Arduino monitoriza constantemente el estado de la salida del sensor Hall. Cuando se coloca un imán cerca del sensor, éste emite una señal lógica BAJA.

El Arduino monitoriza esto y si la señal es BAJA, enciende el LED. Cuando no hay imán presente, la salida del sensor Hall es lógicamente ALTA. Al observar esto, el Arduino apaga el LED.

Conclusión

En este artículo hemos tratado qué son los sensores de proximidad de efecto Hall, cómo funcionan y sus aplicaciones. Los sensores de efecto Hall son extremadamente útiles en aplicaciones de alta velocidad como la detección de velocidad.

Dependiendo de la aplicación, también puede haber alternativas mejores como los sensores de proximidad inductivos, ópticos o capacitivos.