Medida de magnitudes mecnicas

Introduccin Sensores potenciomtricos Galgas extensiomtricas Sensores piezoelctricos Sensores capacitivos Sensores inductivos Sensores basados en efecto Hall Sensores optoelectrnicos Sensores de ultrasonidos

35.1 Introduccin

Potencimetros, Capacitivos, Trmicos, pticosNivel

Electromecnicos, Magnticos, UltrasonidosCaudal

Inductivo, Capacitivo, Piezoelctrico, Galga, pticoPresin

Celdas de carga, GalgasFuerza, Peso

Piezoelctricos, Piezorresistivos, CapacitivosAceleracin

Efecto Hall, Encoder, PotencimetrosVelocidad

Inductivos, Resistivos, Magnticos, Efecto HallPosicin

59

Magnitudfsica

SISTEMAMAGNTICO

SENSORHALL

Sealelctrica

Campomagntico

5.6 Sensores basados en el efecto Hall

Los sensores magnticos detectan una variacin en el campo magntico en respuesta a la variacin de alguna magnitud fsica. Estn basados en el efecto Hall, por lo que se conocen tambin como sensores de efecto Hall. Se caracterizan principalmente por:

- Dispositivos de estado slido

- No tienen partes mviles

- Compatibilidad con otros circuitos analgicos y digitales

- Margen de temperatura amplio

- Buena repetibilidad

- Frecuencia de funcionamiento relativamente alta (100 kHz).

Se utilizan principalmente como sensores de posicin, velocidad y corriente elctrica.

60

RH = constante Hall(V);HH R I BV t =Tensin Hall:

I-

I

B

v

F Ey

t

w

+ + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - - - - -

VHq Ex

l

V

El efecto Hall

La figura muestra una fina lmina de material semiconductor (elemento Hall) de espesor t, a travs de la cual circula una corriente elctrica de control I. En ausencia de campo magntico, la distribucin de la corriente es uniforme y no se tiene una diferencia de potencial en los terminales de salida. En cambio, en presencia de un campo magntico de densidad B, los electrones se ven sometidos a una fuerza de Lorentz resultando una diferencia de potencial en la salida VH denominada tensin Hall, cuyo valor es proporcional a la corriente y al campo magntico.

El campo elctrico Ex da lugar a la circulacin de una corriente I . Suponiendo que la lmina de un metal o de un semiconductor tipo n (los portadores de carga mayoritarios son electrones), la carga q se ve sometida a una fuerza electromagntica: F=q (v xB) que obliga a la carga a desplazarse hacia la parte superior de la lmina, quedando polarizada negativamente y parte inferior positivamente. Esta separacin de cargas produce un campo electrosttico Ey y una fuerza electrosttica F=qEy que se opone a F. Cuando F y F estn en equilibrio los portadores de carga se mueven paralelos a Ex como en ausencia de campo magntico.

61

Regulador

3

GND

1

2

Vcc

Salida

1 2 3

+

-

Reginsensible

Elemento HallAmplificadordiferencial

B

IC

Sensor Hall de salida lineal

Atendiendo al tipo de salida, los sensores Hall se dividen en dos grupos:

Sensores Hall de salida lineal. Sensores Hall de salida digital (interruptores Hall).

La figura muestra la estructura bsica de un sensor Hall de salida lineal. La tensin de salida del elemento Hall requiere un acondicionamiento que consiste bsicamente en una etapa de amplificacin diferencial, dado que la tensin Hall es de muy bajo nivel (30V/G), y una compensacin de temperatura. Tambin suelen integrar un regulador de tensin a fin de poder trabajar con amplio margen de tensiones de alimentacin y mantener la corriente constante, de forma que la tensin de salida refleje slo la intensidad del campo magntico.

Para permitir un mejor interfaz con otros dispositivos, a la salida del amplificador diferencial se aade un transistor en emisor abierto, colector abierto o push-pull.

62

Tensin desalida (V)

Bmn

2,5

7,5

0

5,0

Vcc= 10 V

Vcc= 5 V

Bmx

Vcc= 8 V

10,0

Campomagntico(G)

Caracterstica de transferencia

El campo magntico medido puede ser positivo o negativo, por lo que la salida del amplificador es una tensin positiva o negativa. Esto requiere disponer, en principio, de fuentes de alimentacin tanto positivas como negativas. Para evitar esta situacin en el amplificador diferencial se incorpora una tensin de polarizacin (null offset), de forma que con un campo magntico nulo se tenga, en la salida, una tensin positiva.

Otras caractersticas importantes de los sensores Hall lineales son:

Sensibilidad (mV/G). Es la pendiente de la caracterstica de transferencia. En la mayora de los sensores Hall lineales la sensibilidad y el offset son proporcionales a la tensin de alimentacin. Se dice que son sensores ratiomtricos.

Alcance (span). Define el margen de salida del sensor.

63

Si B > BOP el transistor est ON Vo = Vsat

Si B < BRP el transistor est OFF Vo = Vcc

Regulador

GND

Vcc

Salida+

-Amp

TriggerSchmitt

BO P

ON

Vo

+Vcc

SensorHall

Vo

Vcc

BBR P

Vsat

OFF

Sensor Hall de salida digital

Si al sensor lineal aadimos un comparador Schmitt-Trigger se obtiene un sensor Hall de salida digital (interruptor Hall), cuyo diagrama de bloques bsico se muestra en la figura.

En ausencia de campo magntico, el transistor de salida est cortado (estado off). Cuando el campo magntico, perpendicular a la superficie del chip, estpor encima de un determinado valor umbral de operacin (BOP) el transistor de salida conmuta a saturacin (estado on), pudiendo conducir corriente.

Si ahora vamos reduciendo el campo magntico, para un valor inferior al punto BRP de la caracterstica (release point) el transistor se corta. Para evitar posibles conmutaciones errneas que se puedan producir en la salida como consecuencia de pequeas variaciones en la densidad de flujo magntico, el circuito tiene una cierta histresis (la diferencia entre los puntos OP y RP).

64

SensorHall

+5 V

10 K

TTL/CMOS

SensorHall

+5 V

220

+5 V

IF=15 mA

Carga

SensorHall

VCC

R

VS

SensorHall

1K2

Carga2K7

82

1N4004

CAVCC

Circuitos de interfaz

65

Unipolar frontal(Head-On Mode)

Unipolar lateral(Slide-By Mode)

Gap

Gap=0.5 mm

1.5

2.5

3.5

4.5

d

NS

Movimientodel imn

Distancia, d (mm)

Den

sida

d de

fluj

o, B

(mT)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Den

sida

d de

fluj

o, B

(mT)

Distancia, d (mm)

Sensor

dSN

0

50

0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5

100

150

200

Configuraciones de medida

Dado que las caractersticas varan con la temperatura y de un sensor a otro, los fabricantes dan unos valores mximos y mnimos de densidad de flujo magntico para la conmutacin de la salida del sensor Hall, BOP y BRP respectivamente. Segn el valor de BOP y BRP, los interruptores Hall pueden ser: Unipolares: tanto el valor mximo de BOP como el mnimo de BRP son positivos. Bipolares: el valor mximo de BOP es positivo y el mnimo de BRP negativo. Si el estado de la salida se mantiene en ausencia de campo magntico el sensor se denomina latch bipolar.

En los sensores unipolares la direccin del desplazamiento del circuito magntico con respecto al sensor puede ser:

Frontal (Head-on mode): la direccin de movimiento del imn es perpendicular a la cara activa del sensor, por lo que las lneas de flujo magntico atraviesan dicha cara activa. La densidad del campo magntico es inversamente proporcional a la distancia de separacin. Es un modo simple, funciona bien y es relativamente insensible al movimiento lateral.

Lateral (Slide-by mode): la direccin de movimiento del imn es paralela a la cara activa del sensor. La curva en este caso tiene forma de campana. Lgicamente se tendr una curva para cada distancia de separacin (gap) entre el plano del imn y el del sensor.

66

a) b)D

ensi

dad

de fl

ujo

Distancia

Sensord

SN

Con piezapolarSin pieza

polar

Pieza polar

ngulo derotacin

N

S

S

N

GapGap

0.015

0.03

0.05

-600

-400

-200

0

200

400

600

Bipolar lateral Concentrador de flujo

Configuraciones de medida

Los modos bipolares pueden adoptar tambin diferentes configuraciones. La figura a)muestra el ejemplo de un modo bipolar lateral en el que se tiene un imn en anillo con dos pares de polos. Dependiendo de la aplicacin se puede disponer de diferente nmero de pares de polos. El movimiento de rotacin del imn da lugar a una densidad de campo magntico con una forma de onda senoidal. Si se emplea con un sensor Hall de salida digital, en cada revolucin se obtiene un pulso de salida por cada par de polos. Cuantos ms pares de polos la amplitud de la onda es menor.

Con objeto de incrementar la densidad del flujo magntico, es frecuente el empleo de piezas polares o concentradores de flujo. Cuando se aaden a un sistema magntico ofrecen un camino de menor resistencia a las lneas de flujo. Cuando se colocan enfrentadas a la cara de un imn, la densidad de flujo en el aire entre ambas se incrementa. La figura b) muestra la variacin del campo magntico en el modo unipolar frontal. El hecho de aadir la pieza polar aporta tres beneficios: un incremento en la densidad de flujo magntico, la distancia de actuacin del sensor es mayor (para un nivel de flujo constante) y se puede emplear un imn con una intensidad de campo menor, por tanto, ms barato. Estos concentradores suelen estar integrados en el sensor.

67

Vo

VS

HallSensor

+

-RL

RH

HallSensor

RL

+

-Vo

VS

HallSensor R2

RL

R1

Vo

Vi

R2

+

-

VS

HallSensor

R2

RL

R1 Vo

V1 +

-Vi

VS

Comparador

InversorNo Inversor

Comparador con histresis

Circuitos de interfaz

La salida de un sensor Hall lineal suele ser una configuracin en emisor abierto (fuente de corriente) pudindose conectar con facilidad a componentes estndar.

Son bastante frecuentes las aplicaciones donde la salida se lleva a un circuito comparador o a un amplificador. La figura muestra ejemplos de circuitos de interfaz bsicos. Empleando un circuito comparador con alimentacin nica (por ejemplo el LM339 o equivalente) se puede obtener un interruptor digital con punto de funcionamiento ajustable. La resistencia RH proporciona la histresis a los circuitos comparadores. La exactitud de la medida depende de la tolerancia y coeficiente de temperatura de las resistencias, sin embargo la resistencia RL no es crtica.

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Medida de corriente Medida de posicin Medida de distancia Media de presin Medida de fuerza Medida de campo magntico Medida de par

Motores DC sin escobillas Ventiladores Medida de velocidad Interruptor sin contactos Nivel de lquidos Flujo de lquidos Interruptor de presin Interruptor de rotacin

Control suspensin Medida de corriente Nivel de lquido Gestin de la batera Direccin asistida Frenos Ajuste de los faros

Cigeal rbol de levas Encendido Motor de arranque ABS Ajuste de asientos Boqueo de cerradura Control traccin Elevalunas Techo corredizo Ajuste de espejos Ajuste de asientos Cinturones seguridad

Sensor Hall linealSensor Hall digitalSensor Hall linealSensor Hall digitalAplicaciones industrialesAplicaciones en el automvil

Aplicaciones

Las buenas caractersticas de los sensores basados en el efecto Hall, unidas a la bajada de precio que estos dispositivos han experimentado han dado lugar a un importante crecimiento en el nmero de aplicaciones. Uno de los campo de aplicacin ms importantes est en la industria del automvil.

69

Aplicaciones en el automvil

Referencias:

- Honeywell: http://www.honeywell.com

- Ahahi Kasei Electronics Co.: http://www.asahi-kasei.co.jp.

- Micronas: http://www.micronas.com.

- Infineon: http://www.infineon.com.

- Allegro Microsystems: http://www.allegro.com.

- LEM: http://www.lem.com (sensores de corriente y tensin)

70

IP NP = IS NS (Para NP=1 y NS=1000, IS= 1mA/A)

Sensor Hall de corriente

Un sensor de corriente con salida analgica puede realizarse mediante un ncleo de ferrita y un sensor Hall lineal montados en un encapsulado plstico. La corriente que circula por un conductor, crea un campo magntico. Este campo magntico es llevado por el ncleo de ferrita a un sensor Hall, que convierte dicho campo en una tensin de salida proporcional a la corriente en el conductor.

La medida de corriente puede realizarse en bucle abierto o en bucle cerrado. En la figura se muestra el esquema de un sensor Hall de corriente en bucle cerrado. La tensin Hall es amplificada y despus excita una etapa en push-pullcuya corriente de salida circula por una bobina secundaria arrollada en el ncleo magntico. El campo magntico creado en la bobina secundaria cancela el flujo del primario, manteniendo un nivel de flujo en el ncleo prximo a cero. Se cumple que: IPNP=ISNS. Generalmente NP=1, con lo que la corriente en el secundario queda dividida por NS. Por ejemplo un sensor con NS=1000 (relacin 1:1000) proporciona una salida de 1mA/A. El valor de la corriente IS se puede obtener midiendo la cada de tensin en una resistencia RM. Los fabricantes suelen especificar un valor mnimo de RM, que garantice la adecuada disipacin de potencia del circuito y un valor mximo de RM que evite la saturacin del circuito.

La medida en bucle cerrado, al trabajar con un flujo magntico aproximadamente nulo, permite eliminar la influencia de las no linealidades del ncleo magntico y reducir los efectos de la sensibilidad a la temperatura en el elemento Hall.

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NS Hall

sensor

Diente

Campomagntico

Salidasensor

Ranura

VCCVSAT

Detector de dientes de engranaje

Este dispositivo est encapsulado en una carcasa tipo sonda, permite detectar con gran precisin el movimiento de un objetivo de material ferromagntico. La figura muestra su aplicacin como sensor de dientes de engranaje. Cuando el diente del engranaje pasa por la cara del sensor, detecta un cambio en el nivel del flujo y traslada este cambio a la tensin de salida, que conmuta entre la tensin de alimentacin y la tensin de saturacin del transistor de salida.

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Medida de presin

S

Fuelle

Sensor HallLineal Sensor Hall

lineal

Sensor Hallsalida d ig ital

Flujo

M aterialno fe rroso

N

NS

S

Sensor Hallsalida d ig ital

Flujo

M aterialno fe rroso

N

NS

S

Medida de nivel

Medida de flujo

Medida de variables fsicas

Medida de presin. Cuando se expande o contrae el fuelle se mueve el imn hacia las proximidades del sensor Hall, proporcionando una tensin de salida proporcional a la presin.

Medida de nivel de un lquido. El imn est unido al flotador de forma que cuando el nivel del tanque vara, el sensor Hall detectar estas variaciones y dar en su salida una tensin proporcional. De esta forma se evitan conexiones elctricas en el interior del tanque. El material del tanque ha de ser no ferromagntico.

Media de flujo: el agua mueve unas aspas en las que se tienen dos pares de polos. Cuando estos imanes pasan por el sensor Hall, este genera dos pulsos de tensin por revolucin. De esta forma se puede controlar la cantidad de agua que circula, haciendo un uso ms eficiente de la misma.