Sensor para la medida de corriente por efecto Hall (Melexis)
El Efecto Hall
Una
plaquita semiconductora recorrida por una corriente y colocada dentro de un
campo magnético β desarrolla entre sus dos caras una diferencia
de potencial, llamada de efecto Hall VH, que responde a la relación: VH =
K.i.B, donde K es el coeficiente de
sensibilidad del captador.
Esta
plaquita constituye el elemento sensible del captador de corriente de efecto
Hall.
Principio
La
explicación del fenómeno de Hall, nombre derivado del físico estadounidense
Edwin Herbert Hall (1855-1938), supone que en una plaquita larga (figura 1)
provista de unos electrodos largos de inyección de corriente, i, todos los
electrones sufren un desplazamiento uniforme a la velocidad V en sentido
inverso a la corriente i. Cuando se aplica un campo magnético β perpendicularmente a una de las caras grandes de la plaquita, los electrones
de carga -e son desviados hacia una de las caras pequeñas contra la que se acumulan
bajo la acción de las fuerzas de Laplace.
El
desequilibrio de cargas entre las dos caras pequeñas hace aparecer un campo
eléctrico de Hall EH, que crece hasta que la fuerza (-e · EH
Figura 1: Esquema teórico del captador de efecto Hall.
En
estas condiciones, los electrones vuelven a tener un movimiento uniforme y el
campo eléctrico de Hall se expresa:
donde:
N
es el número de portadores de carga (-e) y j
En
la práctica
Una
solución práctica para mejorar la sensibilidad del captador es aumentar β. Para conseguirlo el generador de Hall se
coloca en el entrehierro de un núcleo magnético recorrido por el flujo de
inducción debido al campo magnético creado por la corriente a medir (figura 2).
Figura 2: Esquema de principio de un captador de corriente de efecto
Hall
(equivalente al dibujo de cabecera)
La
alimentación en corriente y el proceso de la señal se hace mediante componentes
electrónicos.
Su
elemento sensible es una célula de efecto Hall (figura 2). Permite medir
correctamente tanto corriente continua como alterna. Puesto que suele utilizar
un circuito magnético para aumentar su sensibilidad, sufre, como un TC, las
consecuencias de los fenómenos de saturación.
Precisión
La
respuesta de un captador de efecto Hall no es perfectamente proporcional a β
por tres factores:
·
la tensión de offset,
·
el error de linealidad,
·
la fluctuación debida a la
temperatura.
La tensión de offset
Es
una tensión de error ligada a la propia construcción del elemento sensible.
Puede corregirse, para un margen de temperatura dado, mediante un convertidor
secundario.
Error de linealidad
La
presencia de un circuito magnético, incluso con un entrehierro relativamente
importante, introduce una no linealidad debida a fenómenos de saturación. La
dinámica de este captador depende de las dimensiones del circuito magnético.
Fluctuación debida a la temperatura
La
temperatura influye de dos maneras:
- por el coeficiente de sensibilidad K que varía alrededor de 0,01% por ºC,
- por los esfuerzos mecánicos que sufre el elemento sensible debido a las variaciones de temperatura.
La
fabricación de un captador debe de tener presentes todas estas influencias y
probar los componentes para tener y garantizar, en las condiciones de
utilización especificadas, una precisión compatible con la aplicación prevista (medida,
protección o las dos). De ahí el esquema funcional de la electrónica necesaria
para que este captador funcione correctamente (figura 3).
Figura 3: Esquema funcional de la parte electrónica de un captador de
efecto Hall.
La
banda pasante de estos captadores es relativamente ancha. Es posible medir
corrientes continuas y corrientes alternas que tengan frecuencias del orden de
40 kHz. El ancho de la banda pasante de este tipo de captador depende de la
tecnología del circuito magnético, de los componentes electrónicos y de la arquitectura
utilizada para el tratamiento o proceso de la señal.
Comportamiento frente a la CEM
Sobre
todo en AT, la ausencia de aislamiento galvánico entre el captador y los
elementos electrónicos es un handicap importante. Por tanto, la CEM del
conjunto (captador de efecto Hall,
unidad de protección y de control-mando) puede no ser perfecta.
Sensores de efecto Hall
Los
sensores de Efecto Hall permiten medir:
- la movilidad de una partícula cargada eléctricamente (electrones, lagunas, etc);
- los campos magnéticos (teslámetros);
- la intensidad de corrientes eléctricas (sensores de corriente de efecto Hall);
- también permiten la elaboración de sensores o detectores de posición sin contacto, utilizados particularmente en el automóvil, para detectar la posición de un árbol giratorio (árbol de levas, caja de cambios, paliers, etc.);
- se encuentran también sensores de efecto Hall bajo las teclas de los teclados de los instrumentos de música modernos (órganos, órganos digitales, sintetizadores) evitando así el desgaste que sufren los contactos eléctricos tradicionales;
- se encuentran sensores de efecto Hall en el codificador de un motor de corriente continua;
- los motores de Efecto Hall (HET) son aceleradores de plasma de gran eficacia.
Aplicaciones de los sensores Hall
- Mediciones de campos magnéticos (Densidad de flujo magnético)
- Mediciones de corriente sin potencial (Sensor de corriente)
- Emisor de señales sin contacto
- Aparatos de medida del espesor de materiales
- Captadores híbridos en AT.
Como
sensor de posición o detector para componentes magnéticos los sensores Hall son
especialmente ventajosos si la variación del campo magnético es
comparativamente lenta o nula. En estos casos el inductor usado como sensor no provee
un voltaje de inducción relevante.
Sus
principales aplicaciones se encuentran en la electrónica del automóvil,
conversión de energías renovables (solar y eólica), fuentes de alimentación,
control de motores y protección frente a sobrecargas.
En
la industria del automóvil el sensor Hall se utiliza de forma frecuente, ej. en
sensores de posición del cigüeñal (CKP) en el cierre del cinturón de seguridad,
en sistemas de cierres de puertas, para el reconocimiento de posición del pedal
o del asiento, el cambio de transmisión y para el reconocimiento del momento de
arranque del motor. La gran ventaja es la invariabilidad frente a suciedad (no
magnética) y agua.
Además
puede encontrarse este sensor en circuitos integrados, en impresoras láser
donde controlan la sincronización del motor del espejo, en disqueteras de
ordenador así como en motores de corriente continua sin escobillas, ej. en
ventiladores de PC. Ha llegado a haber incluso teclados con sensores Hall bajo
cada tecla y en los teclados de pianos electrónicos.
Los
sensores Hall se utilizan en señales salientes análogas para campos magnéticos
muy débiles (campo magnético terrestre), ej. brújulas en sistemas de
navegación.
Como
sensores de corriente se usan como bobinas, recorridas por la corriente a medir
situadas en la separación del núcleo de hierro (ver figura de cabecera). Estos
sensores de corriente se comercializan como componentes íntegros, son muy
rápidos, se pueden usar para la medición de corrientes continuas (a diferencia
de los transformadores de corriente) y proveen una separación de potencial
entre circuitos de rendimiento y la electrónica de control.
Como
sensor de reconocimiento de posición o tecla a distancia trabajan en conexión
con imanes permanentes y disponen de un interruptor de límite integrado.
FUENTES
Schneider
Electric: De los transformadores de corriente a los captadores híbridos en AT (Christian
Teyssandier)
Josef
Janisch (julio de 2007). «Kleiner Effekt – Große Wirkung»
POST
RELACIONADO:
Los
diversos tipos de captadores de corriente
http://imseingenieria.blogspot.com/2017/04/los-diversos-tipos-de-captadores-de.html
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