¿Cuál es la diferencia entre la detección de corriente y la detección de posición del efecto Hall?

En 1879, Edwin Hall descubrió que cuando un conductor o semiconductor con corriente que fluía en una dirección se introducía perpendicularmente a un campo magnético, se podía medir un voltaje en ángulo recto con respecto a la ruta de corriente. Está bien establecido que el efecto Hall es el resultado de la interacción de partículas cargadas, como electrones, en respuesta a campos eléctricos y magnéticos.

El efecto Hall, aplicado a los sensores, se manifiesta como una diferencia de voltaje medible a través de un conductor a través del cual debe estar presente una corriente constante, o como una diferencia de corriente medible a través de un conductor a través del cual debe fluir un voltaje constante. La diferencia de voltaje es proporcional a la fuerza de un campo magnético. Esto significa que el efecto Hall se puede utilizar de dos maneras muy específicas, aunque el efecto subyacente sea el mismo en ambos casos.

El nivel de señal debido a la variación de campo, en relación con el ruido de fondo, es pequeño (rango de µV) y, por lo tanto, requiere rutas de señal bastante sofisticadas para poder utilizarlo.

Sin ánimo de devaluar el descubrimiento de Edwin Hall de ninguna manera, el efecto es realmente una extensión del uso de la fuerza de Lorentz, que describe la interacción entre las fuerzas eléctricas y magnéticas en una carga puntual debido a la variación del campo electromagnético.

En términos simples, en el caso del efecto Hall, la fuerza de Lorentz describe el efecto que tiene un campo magnético sobre una partícula cargada, específicamente la dirección que se verá obligado a tomar cuando pase a través de un conductor expuesto a un campo magnético. El movimiento físico produce más o menos carga a través de la superficie del conductor, lo que resulta en la diferencia de potencial conocida como voltaje Hall.

El hecho de que el efecto Hall depende de un campo magnético significa que puede usarse como tecnología sin contacto y, por lo tanto, de una manera no intrusiva, a diferencia de la forma más común de detección de corriente, que consiste en usar una resistencia de bajo valor como derivación y midiendo la caída de voltaje a través de él. El uso del efecto Hall para la medición de corriente es inherentemente robusto en aplicaciones de alta potencia, ya que no se basa en el potencial de tierra como referencia.

Con un sensor de corriente de efecto Hall convencional, esto significa colocar el sensor perpendicular al campo magnético y usar un concentrador, normalmente un núcleo ferromagnético que tiene forma de anillo o cuadrado, colocado alrededor del conductor que transporta la corriente a medir. El sensor normalmente se mantendría en un pequeño espacio de aire formado entre los dos extremos del núcleo ferromagnético.

Con un sensor de corriente IMC-Hall, el elemento sensor se coloca en paralelo con el flujo de corriente. En este caso, no se necesita núcleo ferromagnético, sin embargo, puede ser necesario un filtro para la inmunidad de diafonía. Esto significa que se puede usar para medir la corriente que fluye en una 'Busbar' o pista PCB simplemente colocando el sensor sobre la barra o pista. Este tipo de sensor está habilitado por la tecnología IMC-Hall utilizando el Concentrador magnético integrado (IMC) desarrollado por Melexis (ver más abajo).

Fundamentalmente, es el campo magnético generado por la corriente lo que se está detectando gracias al efecto Hall, en lugar de la corriente en sí.

El mismo principio se puede utilizar para detectar la presencia, ausencia o proximidad de un campo magnético. Efectivamente, el voltaje Hall que resulta del movimiento de un imán en la parte superior de los sensores se puede detectar, amplificar y procesar. Esto presenta la oportunidad de utilizar el efecto Hall para detectar la posición o incluso la orientación de los objetos con respecto al sensor.

En una aplicación simple, esto puede ser relativamente burdo, como cuando un ordenador portátil está abierto o cerrado, o puede ser más sofisticado cuando se usa para detectar movimiento lineal o rotación, como la variación en la posición de un objeto móvil. A este respecto, el uso del efecto Hall para la detección de posición es mucho más versátil que su uso como sensor de corriente.

Uno de los inconvenientes de la mayoría de los sensores de efecto Hall, que está relacionado con la forma en que funciona el efecto, es que la placa Hall utilizada para detectar el campo está limitada a solo un eje.

El concentrador magnético integrado, o IMC, desarrollado por Melexis aborda este inconveniente, haciendo que el efecto Hall sea mucho más flexible. El IMC permite que los sensores de efecto Hall, mientras permanecen en un plano, detecten campos magnéticos de los tres ejes X, Y y Z. En consecuencia, los beneficios de la aplicación son múltiples, incluida la flexibilidad de la orientación del sensor.

La inclusión de la tecnología IMC significa que el efecto Hall se puede utilizar en muchas aplicaciones dentro de la industria de la automoción. Al operar en tres dimensiones, el sensor de efecto Hall se puede utilizar para detectar la posición de los pedales, la rotación de la columna de dirección y el estado de la palanca del freno, y la posición de los asientos eléctricos.

También se puede aplicar debajo del capó para monitorizar partes móviles como bombas y motores, así como para medir la corriente consumida por partes electrificadas del tren motriz, como el inversor, el sistema de monitorización de batería (BMS) o el cargador de abordo (OBC).

En términos básicos, el fenómeno del efecto Hall puede explotarse de varias maneras útiles, incluida la detección de corriente y la detección de posición.

A pesar de los grandes desafíos, como la baja relación señal / ruido o el impacto del campo disperso, la industria electrónica ha tenido éxito en el desarrollo de soluciones de detección robustas y precisas basadas en el efecto Hall.

En particular, la incorporación de un potente frontal analógico y una ruta de señal digital, junto con tecnologías patentadas como Melexis IMC-Hall-, significa que el efecto Hall se puede aplicar a la medición de corriente y a la detección de posición, incluso en entornos hostiles como en la industria del automóvil.

Nick Czarnecki se unió a Melexis en 2011 como ingeniero de aplicaciones de campo y realizó la transición al cargo de gerente de marketing en 2015. Sus responsabilidades incluyen la definición y promoción de sensores magnéticos Melexis, incluidos los sensores angulares Triaxis.