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Sensor Hall

El efecto Hall describe la fuerza ejercida sobre una partícula cargada, como un electrón, que se mueve a través de un campo magnético. Si el campo magnético está orientado perpendicular a la dirección del movimiento del electrón, el electrón experimenta una fuerza que es perpendicular tanto a la dirección del movimiento como a la orientación del campo magnético

El efecto Hall se refiere a la situación en la que la fuerza actúa sobre los electrones que se mueven a través de un conductor, de modo que se desarrolla una diferencia en el potencial eléctrico, en otras palabras, un voltaje, entre los dos lados del conductor

El efecto Hall es relevante para una variedad de aplicaciones de sensores; Los dispositivos basados ​​en esta relación relativamente simple entre corriente, campo magnético y voltaje se pueden usar para medir la posición, la velocidad y la intensidad del campo magnético.

 

¿Qué es un sensor Hall?

Componente electrónico utilizado en circuitos de detección de movimiento y medición de campos magnéticos, basado en el efecto Hall.

Sensor HallLos sensores de efecto Hall son dispositivos que se activan mediante un campo magnético externo. Sabemos que un campo magnético tiene dos características importantes: densidad de flujo, y polaridad (Polos Norte y Sur). La señal de salida de un sensor de efecto Hall es la función de la densidad del campo magnético alrededor del dispositivo. Cuando la densidad de flujo magnético alrededor del sensor excede un cierto umbral pre-establecido, el sensor detecta y genera una tensión de salida denominada la tensión de Hall.

Los sensores de efecto Hall consisten básicamente en una pieza delgada de material semiconductor rectangular de tipo p, como arseniuro de galio (GaAs), antimonuro de indio (InSb) o arseniuro de indio (InAs) que pasa una corriente continua a través de sí mismo. Cuando el dispositivo se coloca dentro de un campo magnético, las líneas de flujo magnético ejercen una fuerza sobre el material semiconductor que desvía los portadores de carga, electrones y agujeros, a ambos lados de la losa semiconductora. Este movimiento de los portadores de carga es el resultado de la fuerza magnética que experimentan al pasar a través del material semiconductor.

A medida que estos electrones y agujeros se mueven hacia los lados, se produce una diferencia de potencial entre los dos lados del material semiconductor por la acumulación de estos portadores de carga. Luego, el movimiento de electrones a través del material semiconductor se ve afectado por la presencia de un campo magnético externo que está en ángulo recto con él y este efecto es mayor en un material plano de forma rectangular.

El efecto Hall proporciona información sobre el tipo de polo magnético y la magnitud del campo magnético. Por ejemplo, un polo sur haría que el dispositivo produzca una salida de voltaje, mientras que un polo norte no tendría ningún efecto. Generalmente, los sensores e interruptores de efecto Hall están diseñados para estar en apagado (condición de circuito abierto) cuando no hay campo magnético presente. Solo se encienden (condición de circuito cerrado) cuando se someten a un campo magnético de suficiente fuerza y ​​polaridad.

En pocas palabras, cuando un haz de partículas cargadas pasa a través de un campo magnético, las fuerzas actúan sobre las partículas y el haz se desvía de un camino recto. El flujo de electrones a través de un conductor se conoce como un haz de portadores cargados. Cuando un conductor se coloca en un campo magnético perpendicular a la dirección de los electrones, se desviarán de un camino recto. Como consecuencia, un plano del conductor se cargará negativamente y el lado opuesto se cargará positivamente. El voltaje entre estos planos se llama voltaje de Hall.

Cuando la fuerza sobre las partículas cargadas del campo eléctrico equilibra la fuerza producida por el campo magnético, la separación de ellas se detendrá. Si la corriente no está cambiando, entonces el voltaje Hall es una medida de la densidad de flujo magnético. Básicamente, hay dos tipos de sensores de efecto Hall. Uno es lineal, lo que significa que la salida de voltaje depende linealmente de la densidad de flujo magnético; el otro se llama umbral, lo que significa que habrá una fuerte disminución del voltaje de salida en cada densidad de flujo magnético.

 

Sensor Hall para Arduino

El sensor de efecto Hall funciona según el principio del efecto Hall , que establece que siempre que se aplica un campo magnético en una dirección perpendicular al flujo de corriente eléctrica en un conductor, se induce una diferencia de potencial. Este voltaje se puede usar para detectar si el sensor está cerca de un imán o no. El Arduino puede detectar este cambio de voltaje a través de su pin de interrupción y determinar si el imán está cerca del sensor o no.

Hay muchos tipos de sensores de efecto Hall, y ciertos tipos son mejores para ciertas aplicaciones.  Sin embargo, para aplicaciones que involucran detección de alta velocidad, como en el caso de los velocímetros, se deben usar sensores de efecto Hall de alta frecuencia como US5881 o US1881. Hay dos tipos principales de sensores de efecto Hall: con y sin bloqueo.

El US1881 es un sensor de efecto Hall enganchado. El sensor emite un voltaje alto de salida (5V) siempre que el polo norte de un imán se acerque a él. Incluso cuando se retira el imán, el sensor aún emite un voltaje alto y no baja (0V) hasta que el polo sur del imán se acerque a él. Estos sensores que se enganchan a un estado particular se denominan sensores de efecto Hall enganchados.

El US5881 es un sensor de efecto Hall sin bloqueo. El sensor proporciona una salida de alto voltaje cada vez que se acerca el polo norte de un imán, y cambia a bajo siempre que se retira el imán. El más idóneo es el sin bloqueo por su sencilla programación en la plataforma Arduino

Los sensores de efecto Hall tienen tres pines: VCC (5V), GND y Vout (Señal).La interfaz del sensor de efecto Hall con Arduino es realmente simple. El VCC del sensor está conectado al pin de alimentación de 5V de Arduino. El GND del sensor está conectado al pin GND en el Arduino. El pin Vout o señal del sensor de efecto Hall está conectado al pin de interrupción del Arduino (pin digital 2). Además, se conecta una resistencia de 10K entre los pines VCC y Vout del sensor de efecto Hall. Esto se hace para llevar la salida del sensor de efecto Hall a 5V.

Cualquier código relacionado con sensor de efecto Arduino Hall se basan en el mismo concepto, es decir  es usado para detectar un imán y contar la cantidad de veces que lo detecta. Cada vez que el sensor de efecto Hall detecta un imán, emite un voltaje alto (5V) a su pin Vout. El pin de interrupción del Arduino que está conectado a Vout detecta este aumento de voltaje alto a través de la función: magnet_detect. El monitor en serie imprime “detectar” cada vez que se acerca un imán al sensor.

Este sensor se puede usar para hacer diferentes proyectos. Por ejemplo, si necesitamos detectar el cierre de una puerta; entonces simplemente tenemos que conectar un imán a la puerta y un sensor de pasillo al marco de la puerta. Cada vez que se cierra la puerta, el imán se coloca cerca del sensor de efecto hall y podemos detectar que la puerta se ha cerrado.

 

Como funciona un sensor con efecto Hall

El elemento Hall básico de los sensores magnéticos de efecto Hall en su mayoría proporciona un voltaje muy pequeño de solo unos pocos microvoltios por Gauss, por lo tanto, estos dispositivos generalmente se fabrican con amplificadores de alta ganancia incorporados

Hay dos tipos de sensores de efecto Hall, uno que proporciona salida analógica y otro digital. El sensor analógico está compuesto por un regulador de voltaje, un elemento Hall y un amplificador.  Este tipo de sensores son adecuados y se utilizan para medir la proximidad debido a su salida lineal continua.

Por otro lado, los sensores de salida digital proporcionan solo dos estados de salida, ya sea “ON” u “OFF”. Este tipo de sensores tiene un elemento adicional. El disparador Schmitt proporciona histéresis o dos niveles de umbrales diferentes para que la salida sea alta o baja. Un ejemplo de este tipo de sensor es el interruptor de efecto Hall. A menudo se usan como interruptores de límite, por ejemplo en impresoras 3D y máquinas CNC, así como para detección y posicionamiento en sistemas de automatización industrial.

Los sensores de efecto Hall se activan mediante un campo magnético y, en muchas aplicaciones, el dispositivo puede funcionar mediante un único imán permanente conectado a un eje o dispositivo en movimiento. Existen muchos tipos diferentes de movimientos de imán, tales como los movimientos de detección “de frente”, “de lado”, “empujar-jalar” o “empujar-empujar”, etc. Para cada tipo de configuración, para garantizar la máxima sensibilidad, las líneas magnéticas de flujo siempre deben ser perpendiculares al área de detección del dispositivo y deben tener la polaridad correcta.

También para garantizar la linealidad, se requieren imanes de alta intensidad de campo que produzcan un gran cambio en la intensidad de campo para el movimiento requerido. Existen varias rutas de movimiento posibles para detectar un campo magnético, y a continuación se presentan dos de las configuraciones de detección más comunes que utilizan un solo imán: detección frontal y detección lateral .

 

Detección frontal

Como su nombre lo indica, la “detección frontal” requiere que el campo magnético sea perpendicular al dispositivo de detección del efecto Hall y que para la detección, se acerque al sensor directamente hacia la cara activa. Una especie de enfoque “de frente”.

Este enfoque frontal genera una señal de salida, V H, que en los dispositivos lineales representa la intensidad del campo magnético, la densidad del flujo magnético, en función de la distancia desde el sensor de efecto Hall. Cuanto más cerca y, por lo tanto, más fuerte sea el campo magnético, mayor será el voltaje de salida y viceversa.

Detección lateral

La segunda configuración de detección es “detección lateral”. Esto requiere mover el imán a través de la cara del elemento de efecto Hall en un movimiento lateral.

La detección lateral o deslizante es útil para detectar la presencia de un campo magnético a medida que se mueve a través de la cara del elemento Hall dentro de una distancia de espacio de aire fija, por ejemplo, contando imanes rotacionales o la velocidad de rotación de los motores.

Dependiendo de la posición del campo magnético a medida que pasa por la línea central del campo cero del sensor, se puede producir un voltaje de salida lineal que representa tanto una salida positiva como una negativa. Esto permite la detección de movimiento direccional que puede ser tanto vertical como horizontal.

Existen muchas aplicaciones diferentes para los sensores de efecto Hall, especialmente como sensores de proximidad. Se pueden usar en lugar de sensores ópticos y de luz donde las condiciones ambientales consisten en agua, vibración, suciedad o aceite, como en aplicaciones automotrices.

Detector Posicional

Este detector posicional frontal estará apagado cuando no haya campo magnético presente, (0 gauss). Cuando el polo sur de los imanes permanentes (gauss positivo) se mueve perpendicularmente hacia el área activa del sensor de efecto Hall, el dispositivo se enciende y enciende el led. Una vez que se activa, el sensor de efecto Hall permanece activado.

Algunas aplicaciones contemporáneas de los sensores de efecto Hall se basan en medir la velocidad de la rueda, rotor o RPM , así como determinar la posición del cigüeñal o árbol de levas en los sistemas del motor.

 

¿Cómo comprobar un sensor Hall con polímetro?

Para probar un sensor de efecto Hall, necesitará un polímetro preciso configurado en la escala de 20 voltios.

  • Con el sensor enchufado, inserte un pasador en T en la cavidad del cable de señal del enchufe del sensor.
  • Barre el motor o gire el eje que detecta el sensor.
  • Mira el voltímetro o polímetro.
  • A medida que gira, el voltaje de la señal debe ir y venir de bajo voltaje al voltaje especificado enviado al sensor. Algunas ruedas de tono de cigüeñal y árbol de levas tienen una muesca ODD para indicar la posición del motor.
  • Si no hay señal, desconecte el sensor y verifique el voltaje de la fuente en el conector.
  • Verifique la tierra alimentando un cable de un metro y probando la tierra con el otro.
  • Si la potencia y la tierra son buenas, reemplace el sensor.
  • Si el sensor tiene una señal alta o baja correcta pero aún tiene un código, use el diagrama de cableado para identificar el cable de señal del sensor de efecto Hall en la computadora. Vuelva a probar la señal. Si no hay señal, repare el arnés. Si hay una señal en este punto pero no hay ninguna señal de la computadora, la computadora está dañada.
  • Repare el problema y verifique si funciona.
  • Borre los códigos de problemas, la prueba de carretera y vuelva a verificar para confirmar que el problema está solucionado.

Cuando pruebe un sensor de efecto Hall con suministro de 5 voltios, conecte un voltímetro de corriente continua al cable de señal en el sensor de leva o manivela. Barre el motor y observe el medidor. El medidor leerá 0 y luego 5 voltios corriente continua a medida que el motor se enciende.

Debido a que el sensor de efecto Hall informa la posición y la velocidad del componente, podría causar la pérdida de la señal; el motor para dejar de funcionar o el velocímetro para dejar de funcionar.

Uno de los problemas que pueden desarrollarse es un problema de autorización. El sensor debe estar dentro de un espacio libre especificado para el tono que lee. Normalmente, este espacio libre es de aproximadamente 0,020 a 0,040 . Algunos sensores son ajustables, mientras que en otros casos no. Algunos sensores ajustables usan cuñas y otros pueden atornillarse en la carcasa. Los sensores de posición del cigüeñal y del árbol de levas sellados con una junta teórica deben nunca aplique sellador de silicona ya que esto puede actuar como una cuña.

Los problemas de cableado y conexión pueden ocurrir debido al enrutamiento y la condición del arnés. Los conectores están diseñados para ser resistentes a la intemperie para evitar la suciedad y la humedad. Si el sello del conector está dañado o falta, la humedad podría causar un problema de corrosión. Una mala conexión puede causar una mala conexión intermitente para configurar el problema. Pruebe y repare el problema utilizando los procedimientos recomendados de fábrica para obtener los mejores resultados.

 

Señal de r.p.m. por sensor Hall

Los sensores de RPM generalmente pueden ser de tipo Hall o inductivo. El funcionamiento de estos sensores es fundamentalmente similar en todos los casos, aunque la construcción puede variar según el tipo de sensor, su uso previsto o la aplicación del fabricante.

 

Acerca del sensor inductivo

El sensor inductivo, también conocido como sensor de captación magnética, durante el trabajo operativo, como resultado del efecto inductivo, en la bobina del sensor está produciendo el voltaje oscilante, es decir, un tipo de señal de forma de onda sinusoidal.

Cuando la rueda del gatillo con los dientes pasa lo suficientemente cerca del perno del polo del sensor, se cambia el campo magnético que rodea la bobina. Como el resultado del campo magnético cambia, en la bobina se induce un voltaje, que es proporcional a la fuerza y la tasa de cambio del campo magnético. Se produce una oscilación completa para cada diente que pasa al lado del pasador del polo del sensor.

Dependiendo de la aplicación del fabricante y el tipo de sensor, la resistencia eléctrica de la bobina generalmente está en el rango entre 500 ohmios y 1.500 ohmios. En algunos casos extremos, el valor más bajo puede ser de aproximadamente 200 ohmios, así como en algunos casos, el valor más alto puede ser de hasta 2.500 ohmios.

La señal de voltaje producida por el sensor depende de la velocidad de la rueda del gatillo y del número de vueltas en la bobina, por lo que podría esperarse un voltaje de salida entre 1V y 2V durante el arranque del motor, por ejemplo, pero en casos a mayores rpm, puede Esperaba más. La señal de voltaje de salida producida por el sensor es débil, es decir, bajo nivel de energía, por lo que podría degradarse fácilmente por otras señales externas más fuertes, como el sistema de encendido, por ejemplo. Por esa razón, para eliminar las influencias externas, los cables de señal del sensor a la unidad de control generalmente están protegidos con un tipo de protección de cables recubiertos coaxiales.

 

Acerca del sensor de efecto Hall

A diferencia de los sensores inductivos, la señal de salida de un sensor de efecto Hall no se ve afectada por la velocidad de cambio del campo magnético. La tensión de salida producida normalmente está en el rango de milivoltios (mV) y se amplifica adicionalmente mediante componentes electrónicos integrados, instalados dentro de la carcasa del sensor.

La señal de voltaje de salida final generalmente está en pulsos de forma de onda digital (forma cuadrada). La señal de salida del sensor puede ser positiva o negativa con un voltaje máximo, generalmente de hasta 5 V o 12 V, según el tipo de electrónica integrada y los requisitos del sistema utilizado. La amplitud de la señal de salida permanece constante, solo la frecuencia aumenta proporcionalmente con las rpm. A diferencia de los sensores inductivos que generan una señal de voltaje por sí mismo, los sensores de efecto Hall deben ser alimentados adicionalmente por el voltaje externo necesario para la electrónica integrada. El voltaje de alimentación habitual (+ Vcc) es principalmente de 5 V, pero en algunos casos puede ser de 12 V.

 

Sensor Hall A3144

Hay dos tipos principales de sensores de efecto hall, uno que proporciona una salida analógica y el otro que proporciona una salida digital. A3144 es un sensor de hall de salida digital, lo que significa que si detecta un imán, la salida será baja o la salida seguirá siendo alta.

El A3144 es un sensor integrado de efecto Hall sin bloqueo que proporciona una salida digital. Para poder activar el pin de salida se debe mantener un imán cerca del sensor. Un sensor de láminas también funciona adecuadamente, pero puede estar limitado por el tamaño y la encapsulación del vidrio.

El dispositivo incluye un generador de voltaje Hall en chip para detección magnética, un comparador que amplifica el voltaje Hall y un disparador Schmitt para proporcionar histéresis de conmutación por ruido rechazo y salida de colector abierto. Se utiliza un regulador interno de banda prohibida para proporcionar voltaje de suministro compensado por temperatura para los circuitos internos y permite un amplio rango de suministro operativo. Si una densidad de flujo magnético mayor que el umbral, se activa el circuito (bajo).

 

Entre sus características más resaltadas se encuentran las presentadas a continuación:

1.       Superior temperatura y estabilidad para aplicaciones automotrices o industriales

2.       Voltaje de operación desde 4.5 V a 24 V teniendo en cuenta que solo necesita un suministro no regulado

3.       Salida de colector abierto de 25 mA..

4.       Protección inversa de la batería.

5.       Activar con pequeños imanes permanentes disponibles comercialmente

6.       Fiabilidad de estado sólido

7.       Tamaño pequeño

8.       Resistente al estrés físico

9.       Utilizado en sistemas de alarma de puertas magnéticas

 

Sensores Hall G27

Grandes marcas en el mercado han sido capaces de crear  un producto llamado G27 con sensores Hall instalados la cual es una especie de pedalera.

Los sensores Hall aumentan la resolución de los pedales y eliminan la necesidad de abrirlos cada cierto tiempo para limpiar los potenciómetros de origen.

En caso de necesidad se pueden volver a usar los potenciómetros de origen (están aún adentro, en caso de necesidad sería cambiar el conector).

La pedalera más versátil y con más posibilidades de modificación del mercado (Se le pueden añadir infinidad de módulos, de todos los gustos y colores).

A parte de su bajo precio, la estructura y material del que están hechos le proporciona una durabilidad de por vida (referente a los componentes propios tal como es su base, pedal, eje, tornillería, etc) y le da muchas vueltas a las otras pedaleras comerciales más caras que todos conocemos..

Se debe resaltar que los potenciómetros al ensuciarse empiezan a fallar, por lo que se requiere tener una profunda limpieza al hacer uso de este dispositivo. El problema principal es que los potenciómetros rotatorios de contacto están diseñados para reguladores de volumen, de tensión, que se usen puntualmente, pero no para pedales, donde el uso es millones de veces mayor y acaban fallando.

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