La tecnología servo es sinónimo de velocidad y precisión, para lo cual, se vale de diversos dispositivos de retroalimentación que permiten determinar la exactitud del cumplimiento de las variables involucradas en el control de movimiento. La retroalimentación magnética, especialmente, es un recurso que ofrece precisión, pero también costo-beneficio, por lo que, puede desempeñarse en el posicionamiento inteligente para obtener:
● Alta sensibilidad
● Soportar altas temperaturas
● Repetibilidad y estabilidad
● Garantía de continuidad de la operación
Diversos componentes de automatización cuentan con un sensor de efecto Hall que emplea el voltaje derivado de la fuerza magnética superpuesta perpendicularmente a la corriente eléctrica de un conductor. Por tal razón, en este blog nos interesa hablarte acerca del efecto Hall con el fin de observar los fundamentos sobre los cuales están diseñadas las soluciones de fabricantes internacionalmente reconocidos.
Principios básicos del sensor de efecto Hall
Edwin Herbert Hall obtuvo los primeros indicios del efecto que ahora lleva su nombre durante octubre de 1879; logró este descubrimiento como parte de su trabajo de tesis doctoral para la Universidad Johns Hopkins ubicada en Maryland, Estados Unidos. El efecto Hall es descrito usualmente como la potencia diferencial que aparece perpendicular a las líneas del flujo de una corriente eléctrica, cuando ésta es sometida a la fuerza perpendicular de un campo magnético. El sensor Hall, por lo tanto, recibe dicho nombre porque su funcionamiento está basado en el efecto Hall.
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El efecto Hall implica necesariamente un material conductor a través del cual transita corriente eléctrica y sobre la cual se ejerce una fuerza magnética de manera perpendicular. En términos prácticos, a una placa conductora se le aplica un voltaje en sus extremos, por lo que, los electrones comienzan a fluir linealmente del polo negativo al positivo; sin embargo, al acercarles un imán de forma perpendicular, las cargas positivas y negativas son enviadas hacia los extremos transversales y se produce, con ello el voltaje transversal Hall (VH).
Ahora bien, el efecto Hall está estrechamente relacionado con la fuerza de Lorentz, la cual refiere que cuando una partícula cargada está en reposo dentro de un campo magnético, tal partícula no sufre la acción de ninguna fuerza; sin embargo, cuando la partícula se encuentra en movimiento, al estar cerca de un campo magnético experimenta la acción de dicha fuerza magnética. En otras palabras, la fuerza de Lorentz, descubierta por el físico holandés Hendrik Antoon Lorentz, describe la fuerza que actúa sobre cargas eléctricas móviles individuales dentro de un campo magnético.
Si una partícula con carga ‘q’ se mueve a una velocidad ‘v’
perpendicular a las líneas de campo de un campo magnético con densidad de flujo ‘B’,
la fuerza de Lorentz actúa sobre esta partícula.
Concretamente, por ejemplo, un cable de cobre por el que pasa una corriente eléctrica no responde a la proximidad de algún imán mientras esté desenergizado. Una vez que se enciende la fuente de poder que provee corriente a lo largo del cable, este se mueve porque ya reacciona a la fuerza magnética del imán. De esta forma, la fuerza de Lorentz es fundamental en el principio del efecto Hall porque la aparición del potencial eléctrico, producido por la acumulación de cargas en los extremos transversales de la placa conductora, se debe a la fuerza de Lorentz ejercida sobre la corriente, lo cual provoca que los electrones entren en movimiento a lo largo de la placa conductora.
Con base en lo anterior, el efecto Hall se representa como sigue: un material conductor con espesura (d), conduce una corriente (i) a lo largo; dicha corriente está sometida a un campo magnético (B) aplicado perpendicularmente. Como resultado, se obtiene una tensión de fuerzas conocida como tensión de Hall o voltaje Hall, cuya magnitud está dada por:
VHALL = (RH/d) x i x B donde RH es la constante Hall del material
Ahora bien, dado que las cargas eléctricas en movimiento también producen un campo magnético y que el voltaje medido por el sensor es proporcional a la intensidad del campo magnético presente, al colocarse el material conductor entre los polos de un imán permanente, los electrones se desviarán en una trayectoria curva conforme se mueven a través del material porque su propio campo magnético interactúa con el campo del imán permanente. Cuanto mayor es el campo magnético, más se desvían los electrones; cuanto mayor es la corriente, más electrones hay que desviar. Dicho de otra forma, el voltaje de Hall es proporcional en tamaño tanto a la corriente eléctrica como al campo magnético.
Con base en lo anterior, el voltaje Hall permite deducir la velocidad de los portadores de carga y su concentración, porque la fuerza eléctrica ejercida sobre cada carga se equilibra con la fuerza magnética. Por lo tanto, con un sensor de efecto Hall se puede determinar la fuerza que ejerce un campo magnético si se conoce la corriente a la que se aplica dicho campo, y viceversa. Tanto la fuerza del campo magnético como la corriente permiten que el sensor Hall funcione como detector de metales o de componentes magnéticos diversos. Así, los sensores Hall se pueden encontrar en circuitos integrados, en impresoras láser o en motores de corriente continua, por mencionar algunos ejemplos.
Aplicaciones del efecto Hall
El efecto Hall es ampliamente utilizado como sensor de proximidad, posición, corriente y velocidad, por lo tanto, las ventajas que ofrecen a la tecnología servo son innumerables. Los sensores de efecto Hall, particularmente, suelen estar hechos de semiconductores (silicio o germanio, por ejemplo), por ello, miden el voltaje Hall en dos de sus caras cuando se les coloca en un campo magnético. Estos sensores son completamente electrónicos, por lo que, pueden realizar su función de manera distante; son inmunes al ruido electrónico, así como al polvo y no tienen partes móviles, aspectos que los hacen aún más confiables en su funcionamiento. Además, los sensores de efecto Hall son de estado sólido, lo cual implica que no presentan riesgos en cuanto a rebote de contacto, su expectativa de vida es larga y son aptos para aplicaciones que operan en condiciones hostiles.
Ejemplos de aplicaciones del efecto Hall:
● servomotores
● sensores de torniquete para control de acceso
● sensores de velocidad
● sistema de inyección de motores automovilísticos
● medición de control, potencia y campo magnético
● control de motores lineales
● sensores de proximidad
● control de rotación
● control de posición
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Urany es experto en control de movimiento y cálculo de aplicaciones.
