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

El magnetismo permite hacer cosas realmente interesantes, particularmente cuando se trata de electrones moviéndose dentro de un campo magnético. Un dispositivo que utiliza la desviación de la trayectoria de un electrón para propósitos de detección es un sensor de efecto Hall. Estos pequeños dispositivos se utilizan en automoción, fabricación, electrónica de consumo masivo y otras industrias. Básicamente, el efecto Hall permite detectar un campo magnético, lo que ofrece varias aplicaciones posibles.

Algunas de las posibles aplicaciones incluyen la detección del movimiento y la proximidad de objetos magnetizados a través de 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 por completo. La combinación de añadir un imán a la carcasa y un sensor de efecto Hall permitieron encontrar una solución muy elegante al problema. Pero, ¿cómo funcionan exactamente estos dispositivos y cómo afecta esto al diseño de PCB? Sigue leyendo para más información acerca de estos dispositivos tan particulares.

Sensores de efecto Hall y la fuerza de Lorentz

Un sensor de efecto Hall aprovecha, como su nombre indica, el efecto Hall, que puede producirse en un metal o en un semiconductor. Este efecto se basa en la interacción básica entre un electrón y un campo magnético. Cualquier objeto cargado eléctricamente que se mueva perpendicularmente a un campo magnético experimenta la fuerza de Lorentz. Esta fuerza es la responsable de producir la señal eléctrica que se mediría a través del cuerpo del dispositivo.

La fuerza Lorentz 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 atraviesan un campo magnético, cuya dirección está determinada por la regla de la mano derecha. El efecto Hall aplica las mismas ideas a los semiconductores, haciendo que la carga que se acumula a lo largo de un lado del conductor cree un campo eléctrico que contrarresta la fuerza del campo magnético. La fuerza transversal de Lorentz fuerza a los electrones a seguir trayectoria curva a lo largo y hacia un lado 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 el lado positivo superior y el lado negativo del conductor.  Con esa diferencia de potencial, se produce una tensión medible denominada tensión de Hall.

Si bien la dirección del campo magnético aplicado determina la polaridad de la tensión de Hall, la tensión sigue siendo proporcional a la intensidad del campo aplicado. Si se elimina el campo magnético, la corriente deja de desviarse y la diferencia de potencial en la salida cae a cero. En este punto, los diferentes factores que influyen en la tensión se vuelven interesantes. La tensión de Hall depende de:

• La amplitud de la corriente que circula por el conductor
• La intensidad del campo magnético
• La carga elemental del electrón
• La densidad del número de portadores de carga
• El espesor del material que transporta la corriente desviada

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 una tensión Hall de bajo nivel. La tensión de 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 la tensión de salida.

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

Los sensores de efecto Hall requieren un amplificador de bajo ruido y ganancia moderada para amplificar la tensión Hall de 30 µV, y también de un regulador para mantener constante la corriente. La tensión de salida amplificada del sensor de efecto Hall sólo se produce en función del campo magnético. Con todo esto, un interruptor de efecto Hall funciona como un sensor de efecto Hall ideal (gracias a la tensión 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 magnitud física a detectar
• Definir el mejor enfoque para detectar la magnitud 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
• Encontrar la mejor interfaz de salida

Los diferentes tipos de sensores de efecto Hall se integran en el diseño de las PCB e incluyen un sensor de posición operado por álabes, un sensor de engranaje, un sensor de corriente digital, un sensor de corriente lineal, pestillos, un sensor de corriente en bucle cerrado, interruptores unipolares e interruptores mecánicos.

Mientras que los sensores de efecto Hall pueden ser una herramienta poderosa para tu diseño de PCB, el primer paso al abordar cualquier diseño de 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 diseño de PCB fácil de usar 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 tu navegador web en una plataforma segura.

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