Aquests components s'utilitzen principalment en aplicacions que requereixen alts nivells de precisió, com ara sistemes electrònics d'acceleració i transmissions automàtiques.
Efecte Hall - Inici
Quan un corrent de valor ib circula per una petita pastilla de material semiconductor, immers en un camp magnètic de flux B, apareix una tensió Vh en la direcció perpendicular al corrent i al flux magnètic.
Si el corrent ib es manté constant, la tensió Vh generada depèn del flux magnètic B, que és màxim quan incideix perpendicularment a la direcció del corrent ib i mínim (zero) en paral·lel.
La tensió també depèn de la proximitat de l'imant a la inserció. Com a resultat, cada canvi en el flux magnètic provoca un canvi en la tensió generada. Un augment del flux magnètic fa que la tensió generada augmenti.
Així, el sensor d'efecte HALL varia la seva sortida en resposta a un canvi en el camp magnètic amb el qual interactua. Aquesta propietat s'utilitza en la construcció de sensors: gir, desplaçament lineal i posició angular.
Sensor de posició angular
Es verifica que, col·locant un sensor HALL a prop d'un imant connectat a un dispositiu en moviment, és possible mesurar una tensió proporcional a la distància que separa el dispositiu del sensor o a l'orientació (angle) del dispositiu respecte al sensor.
L'anàlisi de l'operació com a sensor de posició angular es fa mitjançant la figura 2.
- A les figures 2a i 2c el flux és paral·lel a la direcció del corrent, de manera que la tensió generada és nul·la.
- A les figures 2b i 2d el flux és perpendicular a la direcció del corrent, de manera que la tensió generada és màxima; positiu en el cas de
figura 2b i negatiu en 2d.
- La figura 3 mostra l'ona de tensió en funció de la posició angular de l'imant.
La figura 4 presenta l'aplicació pràctica dels conceptes anteriors, en la construcció d'un sensor de desplaçament angular.
L'imant i el rotor amb el disc magnètic giren moguts per la barra motriu del dispositiu mecànic la posició del qual s'ha de determinar. El sensor Hall roman fix, de manera que la tensió generada dependrà de la posició angular de l'imant en relació amb el sensor.
La figura 5 mostra l'esquema del sensor amb l'element Hall sensor associat al circuit electrònic (muntat dins del sensor) que processa i condiciona el seu senyal.
El senyal de tensió de l'element Hall s'amplifica per l'amplificador A i es digitalitza pel convertidor analògic/digital.
A continuació, el senyal digitalitzat és processat pel microprocessador que, com a resultat, proporciona el senyal de sortida Vh tal com es mostra al gràfic de la figura 6. Aquesta configuració presenta una variació de tensió gairebé lineal per a angles entre +/- 45O de la posició del camp magnètic paral·lel a l'element Hall. En els sensors de corrent, tant l'amplificador com el convertidor estan integrats al propi microprocessador.
Els punts crítics d'aquesta configuració són:
- Alta sensibilitat als camps magnètics externs amb efectes no desitjats.
: alta sensibilitat a la posició del sensor en relació amb l'imant, que imposa toleràncies de muntatge mínimes.
- La intensitat del camp magnètic generat per l'imant depèn de la temperatura, de manera que els canvis en aquest donen lloc a variacions no desitjades en la tensió de sortida, que afecta la precisió del sensor.
Per mesurar angles més grans, fins a 360 graus i que elimina els punts crítics esmentats a l'article anterior, s'utilitza la configuració de la figura 7. El sensor consta d'un substrat semiconductor en el qual 4 elements Hall situats dos per dos s'integren diametralment oposats als eixos X i Y. Com s'indica a la figura, sobre els elements Hall, s'uneix un disc magnetitzat diametralment a l'eix l'angle del qual s'ha de mesurar.
La figura 8 mostra l'esquema amb el circuit electrònic (integrat en el propi sensor) que condiciona els senyals generats pels elements Hall.
En girar el disc magnetitzat, la tensió de cada element Hall varia en funció de la posició del disc, prenent valors segons les corbes dels gràfics de Vx1, Vx2, Vy1 i Vy2. Els amplificadors realitzen, punt per punt, la suma de tensions i la seva amplificació, generant tensions Vy i Vx
Aquests senyals analògics són digitalitzats pels convertidors per ser processats pel microprocessador aplicant una fórmula matemàtica mitjançant la qual el valor de l'angle calculat és independent del valor de tensió dels elements Hall. Com a resultat, s'elimina la interferència de temperatura que, tal com s'ha destacat a l'element anterior, provoca variacions no desitjades en la tensió generada pels elements Hall.
Amb el valor així calculat, el microprocessador genera el senyal de sortida del sensor que pot ser:
: un senyal de tensió analògic que varia linealment en funció de l'angle girat.
: un senyal de cicle de treball variable (PWM) el cicle de treball del qual és una funció de la posició del sensor.
Sensor de posició lineal
Es verifica que, col·locant un sensor HALL a prop d'un imant connectat a un dispositiu en moviment, és possible mesurar una tensió proporcional a la distància que separa el dispositiu del sensor o a l'orientació (angle) del dispositiu respecte al sensor.
L'anàlisi de com funciona com a sensor de posició lineal es fa mitjançant la figura 9. Generalment, en aquests sensors, l'element Hall està fixat i l'imant s'acobla al dispositiu la posició del qual (desplaçament lineal) s'ha de fer. determinat.
- A la figura 9a, l'imant es desplaça cap a l'esquerra de manera que el camp magnètic B incideixi sobre l'element Hall segons la direcció de la fletxa. Com a resultat, la tensió Vh és màxima positiva.
- A la figura 9b l'imant es troba en la posició intermèdia de manera que el camp magnètic B és paral·lel a l'element Hall. Com a resultat, la tensió Vh és zero.
- A la figura 9c, l'imant es desplaça cap a la dreta de manera que el camp magnètic B incideixi sobre l'element Hall en la direcció de la fletxa. Com a resultat, la tensió Vh és màxima negativa.
La figura 10 mostra el gràfic amb l'ona de tensió Vh generada per l'element Hall, en funció de la posició relativa de l'imant. L'exemple correspon al cas d'un imant d'1 cm de llarg.
- A la figura 11a l'imant es desplaça cap a la dreta amb el pol S davant de l'element Hall, de manera que el camp magnètic B és perpendicular al pla de l'element i en la direcció que genera el màxim positiu tensió Vh. (punt [a] de la figura 10)
- A la figura 11b, l'imant es col·loca de manera que els pols estiguin equidistants de l'element Hall. Com a resultat, el camp magnètic B és paral·lel al pla de l'element. Com a resultat, la tensió Vh és zero. (punt a la figura 10)
- A la figura 11c l'imant es desplaça cap a l'esquerra amb el pol N davant de l'element Hall, de manera que el camp magnètic B és perpendicular al pla de l'element i en la direcció que genera el màxim negatiu tensió Vh. (punt [c] a la figura 10).
Observeu que en situacions en què l'imant es mou més enllà de les posicions [a] i (tensions màximes) la tensió Vh disminueix fins a ser zero (punts [x]). Això és el resultat de la disminució de la força del camp magnètic percebut per l'element Hall.
Observeu també la linealitat de l'ona de tensió per a posicions entre els punts màxims, que defineix el rang de desplaçament més adequat per a la detecció de desplaçaments. És a dir, on la informació del sensor és precisa. Tingueu en compte que aquest rang és aproximadament igual a la longitud de l'imant. En el cas de l'exemple, +/-0,5 cm de desplaçament de la posició central de l'imant respecte a l'element Hall. Així, per a la detecció correcta de desplaçaments més grans, s'ha d'augmentar la longitud de l'imant.
Sensor de rotació
Les xifres mostren l'aplicació de l'efecte Hall en sensors de rotació.
A la figura 12, l'anell de l'imant està unit a l'eix del qual s'ha de mesurar la rotació. Tan bon punt gira l'eix, l' alternança de polaritat N-S provoca la inversió de la direcció del flux magnètic i amb això, la variació de la tensió generada per l'element Hall que, processat per l'amplificador i el circuit electrònic associat, dóna com a resultat el senyal de sortida Vs..
A la figura 13, l'element Hall, situat entre la roda fònica i l'imant (intern al sensor), forma un circuit magnètic amb ells. En aquesta configuració, el camp magnètic travessa permanentment l'element Hall, generant així una tensió mínima Vh. El pas d'una dent per davant de l'element provoca la variació de la reluctància del circuit magnètic, que intensifica el camp que travessa l'element. Com a resultat, la tensió Vh augmenta. En processar la tensió Vh, l'amplificador i el circuit electrònic associat generen el senyal de sortida Vs tal com es mostra a la figura 12.
La figura 14 presenta el cas del sensor de rotació utilitzat en sistemes d'encesa amb distribuïdor (vehicles Autolatina, per exemple). En aquesta configuració, en girar, el rotor de material ferromagnètic interposa una solapa o finestra entre l'imant i l'element Hall.
- La presència d'una finestra permet que el camp magnètic caigui perpendicularment sobre l'element Hall, que genera la tensió Vh.
- La presència d'una solapa, per contra, bloqueja el camp magnètic, de manera que la tensió Vh és nul·la.
Un circuit electrònic, similar als de les figures 12 i 13, processa la tensió Vh generant el senyal de sortida polsada com es mostra a la figura 12.
