¿Qué es un transductor de efecto Hall?

Elemento de Efecto Hall: Definición y Principio

Definición

Un elemento de efecto Hall es un tipo especializado de transductor diseñado para medir campos magnéticos. Dado que la medición directa de un campo magnético no es sencilla, el transductor de efecto Hall se convierte en una herramienta valiosa. Funciona convirtiendo el campo magnético en una fuerza electromotriz (fem), una cantidad eléctrica que puede medirse fácilmente con instrumentos analógicos y digitales. Esta conversión permite cuantificar y analizar la intensidad y las características del campo magnético en diversas aplicaciones.

Principio del Transductor de Efecto Hall

El principio subyacente del transductor de efecto Hall se basa en un fenómeno físico intrigante. Cuando una tira conductora que lleva corriente se coloca dentro de un campo magnético transversal, se induce una fuerza electromotriz (FEM) a lo largo de los bordes del conductor. La magnitud del voltaje generado es directamente proporcional a la densidad del flujo magnético que atraviesa el conductor. Esta propiedad única de los conductores, donde la presencia de un campo magnético y una corriente eléctrica interactúan para producir un voltaje medible, se conoce como el efecto Hall.

Tanto los metales como los semiconductores exhiben el efecto Hall, con la intensidad y el comportamiento de este efecto dependiendo de la densidad y movilidad de sus electrones. Para entender mejor este principio, considere el elemento de efecto Hall representado en la figura a continuación. En esta configuración, se suministra una corriente eléctrica a través de los bornes 1 y 2, mientras que el voltaje de salida se mide entre los bornes 3 y 4. Cuando no se aplica un campo magnético al conductor, los bornes 3 y 4 están a igual potencial eléctrico.

Cuando se aplica un campo magnético a la tira, se genera un voltaje de salida entre los bornes de salida 3 y 4. Este voltaje inducido es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético. Matemáticamente, la relación se puede describir mediante la siguiente fórmula para el voltaje de salida VH:

I es la corriente en amperios y B es la densidad de flujo en Wb/m2

Transductor de Efecto Hall: Capacidad de Medición y Aplicaciones

Capacidad de Medición

Tanto la corriente que fluye a través del conductor como la intensidad del campo magnético pueden determinarse analizando los voltajes de salida de un transductor de efecto Hall. Sin embargo, en los conductores, la fuerza electromotriz (FEM) generada por el efecto Hall suele ser bastante pequeña, lo que plantea un desafío para su medición precisa. En contraste, los semiconductores como el germanio producen una FEM relativamente mayor. Esta señal más grande puede medirse fácilmente con instrumentos de bobina móvil, lo que hace que los semiconductores sean más prácticos para muchas aplicaciones de medición basadas en el efecto Hall.

Aplicaciones de los Transductores de Efecto Hall

El transductor de efecto Hall se utiliza extensivamente en diversos campos debido a su capacidad única de convertir fenómenos magnéticos en señales eléctricas. Algunas de sus principales aplicaciones son las siguientes:

1. Transducción Magnética a Eléctrica

Una de las aplicaciones principales del elemento de efecto Hall es convertir el flujo magnético en una señal eléctrica. Para medir campos magnéticos, se coloca un material semiconductor dentro del campo magnético de interés. Como resultado, se desarrolla un voltaje a lo largo de los extremos de las tiras de semiconductores. Este voltaje es directamente proporcional a la densidad del campo magnético, permitiendo la cuantificación de la intensidad del campo magnético.

Los transductores de efecto Hall ofrecen varias ventajas. Requieren poco espacio, lo que los hace adecuados para diseños compactos. Además, proporcionan una señal eléctrica continua que refleja con precisión la intensidad del campo magnético. Sin embargo, también tienen una limitación notable: una alta sensibilidad a las variaciones de temperatura. Esta sensibilidad significa que a menudo es necesaria una calibración para cada escenario de medición individual para asegurar resultados precisos y confiables.

2. Medición de Desplazamiento

Los elementos de efecto Hall también se utilizan para medir el desplazamiento de componentes estructurales. Por ejemplo, consideremos una estructura ferromagnética integrada con un imán permanente.

En aplicaciones de medición de desplazamiento, un transductor de efecto Hall se posiciona entre los polos de un imán permanente. A medida que cambia la posición de un componente ferromagnético dentro de esta configuración de campo magnético, altera la intensidad del campo magnético experimentado por el elemento de efecto Hall. Este cambio en la intensidad del campo magnético se traduce en un cambio correspondiente en el voltaje de salida del transductor, permitiendo la medición precisa del desplazamiento de la estructura ferromagnética. Este método no invasivo proporciona una forma confiable de monitorear el movimiento de piezas mecánicas en diversos sistemas, como maquinaria industrial o brazos robóticos.

3. Medición de Corriente

El transductor de efecto Hall ofrece un método muy conveniente y seguro para medir la corriente eléctrica, ya que permite la medición de la corriente sin la necesidad de ninguna conexión física directa entre el circuito conductor y el medidor. Ya sea corriente alterna (CA) o corriente continua (CC), cuando se aplica a un conductor, genera un campo magnético alrededor del conductor. La intensidad de este campo magnético es directamente proporcional a la magnitud de la corriente aplicada. Este campo magnético, a su vez, induce una fuerza electromotriz (FEM) a lo largo de las tiras del transductor de efecto Hall. La magnitud de esta FEM inducida depende de la intensidad del campo magnético, que está relacionada con la corriente que fluye a través del conductor. Mediante la medición de esta FEM inducida, se puede determinar con precisión el valor de la corriente, lo que hace que los transductores de efecto Hall sean ideales para la detección de corriente en una amplia gama de sistemas eléctricos, desde redes de distribución de energía hasta dispositivos electrónicos.

4. Medición de Potencia

Los transductores de efecto Hall también se utilizan para medir la potencia de un conductor eléctrico. Cuando se pasa una corriente a través del conductor, genera un campo magnético, cuya intensidad se correlaciona directamente con la magnitud de la corriente. Este campo magnético luego induce un voltaje a lo largo de las tiras del transductor de efecto Hall. Utilizando un circuito multiplicador en conjunto con el transductor, el voltaje de salida del multiplicador puede hacerse proporcional a la potencia disipada en el conductor. Este enfoque permite la medición eficiente y precisa de la potencia eléctrica en diversas aplicaciones, incluyendo sistemas de energía eléctrica, donde el monitoreo del consumo y flujo de energía es crucial para la gestión de energía y la optimización del sistema.