Sensores y medida4 min de lectura
Sensores Hall frente a potenciómetros: medir posición sin desgaste
Durante décadas, la forma de medir la posición de una palanca o de una válvula fue un potenciómetro: un cursor que roza una pista resistiva. El sensor de efecto Hall, al que a veces se llama potenciómetro o resistencia Hall, hace lo mismo con un imán y sin tocar nada, y eso cambia su vida útil y su robustez.
El efecto Hall
En 1879, Edwin Hall descubrió que si una corriente atraviesa una placa conductora sometida a un campo magnético perpendicular, las cargas en movimiento se desvían hacia uno de los bordes. Se acumulan cargas de un signo en un lado y del contrario en el otro, y aparece una tensión transversal, la tensión Hall, proporcional a la corriente y al campo, e inversamente proporcional al espesor de la placa y a la densidad de portadores de carga.
En un metal hay tantos portadores que la tensión es inapreciable. En un semiconductor hay muchos menos y la señal ya es útil. Por eso los sensores Hall son chips de silicio, o de otros semiconductores, que integran la placa, el amplificador, la compensación de temperatura y la etapa de salida.
Tipos de sensor Hall
- Interruptores digitales: cambian de estado al superar un umbral de campo. Los unipolares se activan con un polo y se desactivan al retirar el imán; los bipolares necesitan el polo contrario para desactivarse, y los de enclavamiento (latch) mantienen su estado hasta que llega el polo opuesto. Estos últimos son los que conmutan las fases de un motor sin escobillas.
- Lineales o analógicos: dan una tensión proporcional al campo. Sirven para recorridos cortos y para medir corriente.
- De ángulo, 2D o 3D: miden varias componentes del campo de un imán diametral, magnetizado de lado a lado y montado en el extremo de un eje, y calculan el ángulo en los 360°. También hay versiones para desplazamientos lineales.
El potenciómetro de pista resistiva
Un potenciómetro es una pista resistiva, de carbón, cermet, plástico conductor o hilo bobinado, sobre la que desliza un cursor. Alimentado entre sus extremos, actúa como divisor de tensión: la salida es proporcional a la posición. Es sencillo, barato, absoluto y no necesita electrónica.
Su punto débil es el contacto. El roce desgasta la pista, sobre todo en la zona más usada, como el punto neutro de una palanca. La resistencia de contacto varía y genera ruido y picos, que empeoran con polvo, humedad y vibración. La vida útil depende mucho de la tecnología: del orden de decenas de miles de ciclos en cermet y de un millón o más en plástico conductor.
Ventajas del Hall en la industria
- Sin contacto ni desgaste: el elemento sensor no se gasta. La vida la limitan los rodamientos, muelles y juntas de la mecánica; los joysticks industriales Hall se especifican habitualmente para varios millones de ciclos.
- Estanqueidad: el campo magnético atraviesa una pared de plástico o de aluminio, así que la electrónica puede ir sellada y alcanzar IP67 o IP68.
- Inmunidad al polvo y a la vibración: no hay cursor que pueda rebotar ni pista que se ensucie.
- Salidas variadas: analógica proporcional a la alimentación, PWM (pulsos de anchura variable) o digital, como SENT (norma SAE J2716) o SPI.
- Diagnóstico y redundancia: la salida útil se limita, por ejemplo, entre el 10 y el 90 %, de modo que un cable cortado o un cortocircuito se detectan al instante. Existen sensores con dos chips independientes en el mismo encapsulado y dos salidas, a menudo una creciente y otra decreciente, para funciones de seguridad.
Aplicaciones
Joysticks y palancas de maquinaria, sensores de posición de válvulas y de pedales, detección de velocidad y posición en motores, como alternativa compacta a un encoder o un resolver, y medida de corriente sin contacto: un núcleo magnético concentra el campo creado por el conductor sobre el sensor, con aislamiento galvánico entre el circuito de potencia y la electrónica.
| Potenciómetro | Sensor Hall | |
|---|---|---|
| Principio | Cursor sobre pista resistiva | Imán y chip, sin contacto |
| Vida del elemento sensor | De decenas de miles a millones de ciclos | Sin desgaste |
| Estanqueidad | Difícil: el eje atraviesa la carcasa | Sencilla, a través de una pared |
| Ruido y vibración | Ruido de contacto, rebotes | Señal estable |
| Ángulo útil | Unos 300° con topes | Hasta 360°, sin topes |
| Salidas | Analógica | Analógica, PWM o digital |
| Diagnóstico | Limitado | Integrado, con opción redundante |
| Alimentación | Pasivo | Necesita alimentación |
| Coste | Bajo | Algo mayor |
Inconvenientes que hay que tener en cuenta
- Campos externos: motores, cables con mucha corriente u otros imanes cercanos alteran la medida. Se combate con distancia, apantallamiento o sensores diferenciales que anulan los campos uniformes.
- Temperatura: el campo de un imán de neodimio baja en torno a un 0,1 % por grado, y la sensibilidad del chip también varía. Los sensores de ángulo lo compensan en buena parte, porque calculan el ángulo a partir del cociente de dos componentes del campo.
- Calibración y montaje: la excentricidad del imán y la distancia al chip afectan a la precisión; muchos sensores se programan en el montaje para fijar el cero y el recorrido.
- Coste algo mayor y necesidad de alimentación y de un diseño electromagnético cuidadoso.