Dominando el magnetismo: sensores de efecto Hall y sus aplicaciones para PCB

Zachariah Peterson
|  Creado: December 6, 2021
Levitación magnética sobre un superconductor de alta temperatura.

El magnetismo permite hacer algunas cosas realmente geniales, particularmente cuando se trata de electrones moviéndose dentro de un campo magnético. Un dispositivo que usa la desviación de la trayectoria de un electrón para propósitos de detección es un sensor de efecto Hall. Estos dispositivos se usan en el sector automotriz, de fabricación, electrónica de consumo masivo y otras. El efecto Hall básicamente permite la detección de un campo magnético, cosa que ofrece diversas aplicaciones potenciales.

Algunas de estas aplicaciones potenciales incluyen la detección del movimiento y proximidad de objetos magnetizados mediante una medición directa del campo magnético. Yo mismo he emprendido algunos proyectos en los que hacía falta un sensor para medir si una tapa o compuerta se habían cerrado del todo. La combinación de añadir un imán a la carcasa y sensor de efecto Hall permitieron hallar una solución muy elegante al problema. Pero, ¿cómo es que funcionan exactamente estos dispositivos y cómo afecta esto a tu diseño? Sigue leyendo para más información acerca de estos dispositivos tan particulares.

Sensores de efecto Hall y la fuerza de Lorentz

Tal como su nombre sugiere, un sensor de efecto Hall se sirve de dicho efecto, que puede ocurrir tanto en metales como en semiconductores. Este efecto se basa en la interacción básica entre un electrón y un campo magnético. Cualquier objeto eléctricamente cargado que se mueva perpendicularmente a un campo magnético está sometido a la fuerza de Lorentz. Esta fuerza es la que produce la señal eléctrica que se mediría en el cuerpo del dispositivo.

Esta fuerza hace que las partículas cargadas (electrones y agujeros en un semiconductor de alta movilidad como el GaAs, o los electrones en los metales) se desvíen cuando pasan a través de un campo magnético, cuya dirección está determinada por la regla de la mano derecha. El efecto Hall aplica las mismas ideas a los semiconductores, en donde una acumulación de cargas en uno de los lados del conductor crea un campo eléctrico que contrarresta la fuerza del campo magnético. La fuerza transversal de Lorentz fuerza a los electrones a seguir un camino curvo a lo largo de uno de los lados del semiconductor. Después, la regla de la mano derecha nos indica que la dirección de la fuerza de Lorentz tiene una relación directa con la dirección de los electrones.

Colocar algunas conexiones de salida perpendiculares a la dirección del flujo de la corriente forma lo que se conoce como un elemento Hall. Existe una diferencia de potencial entre la parte superior positiva y la parte negativa del conductor. Con esa diferencia de potencial, un voltaje medible ─que se conoce como el voltaje Hall─ ocurre.

Si bien la dirección del campo eléctrico aplicado determina la polaridad del voltaje Hall, este voltaje es siempre proporcional a la magnitud del campo aplicado. Si desaparece el campo magnético, la corriente deja de desviarse y la diferencia de potencial en la salida cae a cero. En este punto, los diversos factores que influyen en el voltaje se vuelven interesantes. El voltaje Hall depende de:

  • La amplitud de la corriente que fluye por el conductor
  • La magnitud del campo magnético
  • La carga elemental del electrón
  • Densidad de portadores de carga
  • Espesor del material que conduce la corriente desviada
Sensor de efecto Hall integrado.
Los sensores de efecto Hall se integran en algunos montajes electrónicos, como este motor.

Cada uno de esos factores impacta a los semiconductores influenciados por el efecto Hall. Ubicar un chip de silicio conductor de corriente en un ángulo correcto con respecto a un campo magnético produce un voltaje Hall de bajo nivel. El voltaje Hall es una función de la corriente de entrada.

Cuando se aplica a semiconductores, el efecto Hall crea un interruptor digital que produce una muy eficiente señal de onda cuadrada de encendido-apagado. Perturbar la ventana entre el campo magnético y el chip de silicio produce una salida igual a cero. El conectar circuitos adicionales al semiconductor produce el efecto opuesto y permite la interrupción del campo magnético para generar un aumento en el voltaje de salida.

Los sensores de efecto Hall precisan de un bajo nivel de ruido

Los sensores de efecto Hall precisan de un amplificador de bajo ruido y ganancia moderada para amplificar el voltaje Hall de 30 µV, y también de un regulador para mantener constante la corriente. El voltaje amplificado de salida en un sensor de efecto Hall ocurre solo como función del campo magnético. Con todo esto, un interruptor de efecto Hall funciona como un sensor de efecto Hall ideal (gracias a su voltaje de salida).

Los sensores digitales de efecto Hall detectan el campo magnético y alternan entre estados cuando el sensor alcanza el punto de operación. El disminuir el campo magnético hasta que el sensor magnético alcance su punto de descarga hará que el sensor de efecto Hall regrese a su estado original. Los puntos clave para diseñar sensores de efecto Hall son:

  • Determinar la cantidad física a detectar
  • Definir el mejor enfoque para detectar la cantidad física
  • Establecer la mejor interfaz de entrada para el sensor de efecto Hall
  • Decidir cuál es el mejor sistema magnético
  • Seleccionar los sensores de efecto Hall
  • Hallar la mejor interfaz de salida

Los diferentes tipos de sensores de efecto Hall se integran en el diseño de las PCB y comprenden diversos tipos: sensores de posición operados por álabes, sensores de engranaje, sensores de corriente digital, sensores de corriente lineal, pestillos, sensores de corriente en bucle cerrado, interruptores unipolares e interruptores mecánicos.

Pinza sosteniendo algunos sensores magnéticos.
Los sensores de efecto Hall vienen en encapsulados pequeños

Si bien los sensores de efecto Hall pueden ser una poderosa herramienta para tu diseño de PCB, el primer paso para diseñar PCB siempre será el saber qué tipo de software de diseño de PCB debes usar y qué software tiene las herramientas adecuadas para tus necesidades. Cuando necesites acceder a una herramienta de disposición de PCB que incluya todo lo necesario para crear placas de circuitos de alta calidad y de fácil fabricación, la mejor opción es CircuitMaker. Además de un software de diseño de PCB fácil de usar, todos los usuarios de CircuitMaker tienen acceso a un espacio personal de trabajo en la plataforma Altium 365. Puedes cargar y almacenar tus datos de diseño en la nube, y también podrás ver fácilmente tus proyectos desde su navegador web en una plataforma segura.

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Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson tiene una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Actualmente brinda servicios de investigación, diseño y marketing a empresas de la industria electrónica. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland y realizó investigaciones sobre la teoría, los materiales y la estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas de láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sensores ambientales y estocástica. Su trabajo ha sido publicado en más de una docena de revistas revisadas por pares y actas de congresos, y ha escrito más de 1000 blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Es miembro de IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society y Printed Circuit Engineering Association (PCEA), y anteriormente se desempeñó en el Comité Asesor Técnico de Computación Cuántica de INCITS.

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