Cómo seleccionar sensores de efecto Hall para entornos difíciles

Descripción técnica: Este artículo examina cómo los interruptores y enclavamientos de efecto Hall abordan los requisitos de detección en entornos automotrices e industriales. Al usar como ejemplos los interruptores APS11203 y los enclavamientos APS12203 de Allegro MicroSystems, se explica cómo el rango de suministro, la polaridad magnética, la sensibilidad, los puntos de activación y liberación, la fluctuación y la estabilización por chopper afectan a la selección del dispositivo. Las aplicaciones incluyen la detección de cierres, la detección de posición de válvulas y actuadores, la conmutación de motores de CC sin escobillas (BLDC) y la codificación rotativa. El rango de suministro de 2.7 a 26 voltios de los dispositivos puede eliminar los reguladores externos, mientras que las salidas de drenaje abierto simplifican las interfaces del controlador. Los diseñadores pueden equilibrar la orientación del imán, el entrehierro, la inmunidad a campos de dispersión, los requisitos de fabricación y las consideraciones de la lista de materiales (BOM). (Resumen facilitado por ChatGPT)

A medida que los sistemas automotrices e industriales incorporan más electrónica y análisis de datos, la detección precisa y eficiente es cada vez más importante. Para muchos diseñadores, los sensores de efecto Hall son la opción preferida para la detección sin contacto. Ya sea para controlar el cierre de un capó o para realizar el seguimiento de un motor CC sin escobilla (BLDC), ofrecen un encapsulado compacto y la resistencia que exigen estas aplicaciones.

Sin embargo, muchas de estas aplicaciones buscan un mejor rendimiento a un menor costo. Esto requiere sensores que combinen una mayor precisión con una fabricación más sencilla y una lista de materiales (BOM) más pequeña y de menor costo. Las últimas generaciones de sensores de efecto Hall cumplen con este desafío, ofreciendo un amplio rango de voltaje, baja fluctuación y estabilización por interruptor integrada.

Este artículo repasa la evolución de los requisitos de detección en sistemas automotrices e industriales. A continuación, muestra cómo seleccionar y aplicar dispositivos adecuados utilizando ejemplos de Allegro MicroSystems.

Desafíos de diseño para sensores de efecto Hall en entornos automotrices e industriales

La digitalización de los vehículos y la industria está impulsando la adopción de más sensores en entornos más rigurosos. Aunque los sensores de efecto Hall se utilizan ampliamente en estas aplicaciones, el estrés físico y térmico, junto con los campos de dispersión, pueden degradar su rendimiento. Las presiones de costos agravan los desafíos al empujar los diseños hacia imanes de menor costo y entrehierros más amplios, lo que hace que las señales sean más difíciles de detectar.

Los rieles de alimentación también se están diversificando, con rieles de 24 V y 12 V funcionando junto con lógica de 3.3 V y 5 V. Muchos sensores de efecto Hall convencionales están diseñados para funcionar con voltaje bajo, por lo que conectarlos a rieles de voltaje más alto requiere una regulación adicional que infla los costos y aumenta el área de la placa.

Para satisfacer estas demandas cambiantes, los diseñadores necesitan sensores que funcionen de forma fiable en entornos difíciles sin necesidad de circuitos de soporte ni de un diseño complejo.

Sensores de efecto Hall de alto voltaje para entornos exigentes

Los sensores de interruptor y enclavamiento de efecto Hall APS11203/APS12203 de Allegro, respectivamente, vienen en un paquete de dispositivo de montaje en superficie (SMD) SOT-23-3 de 3 pines (Figura 1) y ofrecen una solución elegante a estos desafíos. Un amplio rango de suministro de 2.7 V a 26 V permite la conexión directa tanto a lógica como a rieles de alto voltaje. La familia también ofrece una gama de opciones de polaridad, junto con umbrales de detección que abarcan de 1 a 40 militesla (mT) o de 10 a 400 gauss (G), para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones.

Figura 1: Los sensores de interruptor y enclavamiento de efecto Hall APS11203/APS12203, respectivamente, vienen en un paquete SOT-23-3 de 3 pines que integra un regulador de voltaje y circuitos para mejorar la precisión y la fiabilidad. (Fuente de la imagen: Allegro)

Los dispositivos cuentan con la certificación AEC-Q100, soportan temperaturas ambiente de -40 °C a +125 °C y miden 2.9 mm × 1.3 mm. Los dispositivos también proporcionan protección contra batería invertida, con una clasificación máxima absoluta de suministro inverso de -18 V, lo que ayuda a proteger contra percances como un arnés mal conectado. Los sensores también cuentan con estabilización de chopper y baja fluctuación, lo que ayuda a garantizar una precisión fiable.

Para los diseñadores, es importante examinar estas características con más detalle y destacar tres criterios de selección clave:

• Cuándo utilizar un interruptor, que se activa cuando se detecta un campo magnético, o un seguro, que mantiene su estado hasta que el campo se invierte
• Si elegir una respuesta magnética omnipolar o unipolar
• Cómo seleccionar los puntos de disparo y liberación, los niveles de campo magnético en los que la salida se activa y desactiva

Interruptores de efecto Hall para aplicaciones de seguridad automotriz y cierre de potencia

Los vehículos modernos están llenos de equipos que requieren sensores de estado altamente fiables, incluidos los cierres eléctricos, las hebillas de los cinturones de seguridad y las posiciones de los seguros del capó y del maletero. El ensamblaje de estos módulos de gran volumen está automatizado y orientado a los costos; como resultado, los imanes a menudo se moldean en piezas de plástico con una orientación impredecible.

Muchas de estas funciones son críticas para la seguridad, por lo que una activación falsa tiene consecuencias reales. Esto plantea un desafío importante porque el entorno eléctrico suele ser ruidoso, con mazos de cables, motores de enclavamiento y relés operando cerca. Como resultado, estos sistemas suelen depender de imanes fuertes para garantizar una señal clara.

Un interruptor de baja sensibilidad como el APS11203KMDALX-9PL0 es adecuado para estos sistemas. Con puntos de disparo y liberación típicos de 40 mT (400 G) y 33.5 mT (335 G), este dispositivo proporciona una señal binaria simple cuando hay un imán fuerte presente y permanece relativamente inmune a los campos de dispersión. Como interruptor omnipolar, esta pieza también se alinea con los procesos de ensamblaje de alto volumen, los cuales pueden no garantizar que una cara particular del imán apunte al sensor.

Interruptores de efecto Hall para la detección de posición en vehículos y equipos industriales

La detección de posición es otra aplicación importante para los sensores de efecto Hall, tanto en vehículos de pasajeros como en equipos industriales tales como válvulas y actuadores. Estas aplicaciones pueden utilizar múltiples sensores. Por ejemplo, una configuración de válvula típica coloca un interruptor en cada posición de apertura total y cierre total, con un imán en el vástago móvil que activa cada uno a su vez. La interferencia electromagnética (EMI) generalmente no es intensa aquí, pero los motores, solenoides, contactores y otros equipos pueden operar cerca.

Un interruptor unipolar como el APS11203KMDALX-5SL0 es una buena opción en esta situación. Sus puntos de disparo y liberación típicos de 9.5 mT (95 G) y 7 mT (70 G) permiten el funcionamiento a través de un entrehierro relativamente amplio, al tiempo que proporcionan inmunidad a campos de dispersión de nivel inferior. Debido a que el dispositivo responde solo a un campo de polaridad sur, no se activa mediante un campo de polaridad opuesta. Este comportamiento requiere que el proceso de ensamblaje controle la orientación del imán, pero este es un requisito aceptable en sistemas fabricados con precisión.

Como parte de la familia APS11203/APS12203, este interruptor incluye un regulador en el chip que le permite conectarse directamente a un riel industrial de 24 V o a un riel automotriz de 12 V. Esto elimina la necesidad de un regulador externo, lo que reduce los componentes, el área de la placa y las piezas a calificar. La misma pieza también puede funcionar con rieles de 3.3 V y 5 V. Esta flexibilidad de suministro permite reutilizar un dispositivo seleccionado en ubicaciones alimentadas por diferentes rieles, siempre que sus características magnéticas se adapten a cada ubicación. Su salida de drenaje abierto solo requiere una resistencia pull-up al riel del controlador (Figura 2) para manejar la interfaz sin desplazamiento de nivel.

Figura 2: El APS11203 y el APS12203 solo necesitan una resistencia pull-up y un capacitor de derivación para interactuar con un controlador. (Fuente de la imagen: Allegro)

Interruptores de efecto Hall para la conmutación de motores BLDC

Los sensores de efecto Hall también se utilizan para la conmutación y la detección de índices en motores BLDC. La retroalimentación de conmutación utiliza normalmente tres interruptores de efecto Hall espaciados alrededor del rotor (Figura 3). Los sensores indican al controlador cuándo cruza cada polo del rotor, por lo que la precisión de la sincronización determina la eficiencia, la ondulación del par de torsión y el ruido acústico.

Figura 3: Un arreglo de conmutación BLDC típico utiliza tres cierres de efecto Hall espaciados alrededor del rotor. (Fuente de la imagen: Allegro)

Aquí se puede utilizar un enclavamiento de alta sensibilidad como el APS12203KMDALX-0SL0. Un enclavamiento mantiene su estado hasta que el campo se invierte, lo que resulta adecuado para un rotor con polos norte y sur alternos. Como miembro más sensible de la familia, esta pieza tiene puntos típicos de activación y liberación de 1 mT (10 G) y -1 mT (-10 G). El bajo punto de activación significa que el sensor conmuta más cerca del límite real del polo, donde el campo cambia más rápidamente, por lo que las variaciones en la fuerza del imán producen menos errores de temporización.

La familia también es muy adecuada para estas aplicaciones debido a su baja fluctuación típica de 320 nanosegundos (ns), medida a 1 sigma utilizando un imán anular de 60 polos que gira a 922 revoluciones por minuto (rpm) en un campo de ±23 mT (230 G). La fluctuación es la incertidumbre en la temporización del borde de salida en relación con el cruce de polo real. Mantenerlo bajo mejora el par de torsión a baja velocidad y la precisión de la posición. El resultado es una operación más suave y silenciosa y una mayor eficiencia, lo que facilita la gestión térmica y puede ayudar a prolongar la vida útil del motor.

Enclavamientos de efecto Hall para codificadores rotativos

Un ejemplo de aplicación final es el codificador rotatorio, que informa de cuánto ha girado un mecanismo o dónde se ha detenido. Los ejemplos incluyen codificadores de motor en equipos industriales, y la posición del limpiaparabrisas y selectores de cambio de marchas en vehículos.

Al igual que la conmutación BLDC, los codificadores rotativos suelen rastrear imanes de anillo con secciones norte y sur alternas. La diferencia con los codificadores es que el objetivo (el mecanismo detectado) suele estar moldeado o ensamblado, por lo que el apilado de tolerancia determina el entrehierro real, que puede variar de una unidad a otra. Los grandes volúmenes y los presupuestos ajustados también impulsan el uso de imanes más pequeños y de menor costo.

Un enclavamiento como el APS12203KMDALX-2SL0 es una buena opción para estas aplicaciones, con puntos de disparo y liberación típicos de 2 mT (20 G) y -2 mT (-20 G). Aquí, la sensibilidad relativamente alta importa más para la fiabilidad que para la capacidad de respuesta, ya que permite una detección fiable con un imán relativamente débil y económico a través de un entrehierro generoso.

La estabilización con chopper ayuda a mantener esta fiabilidad cambiando periódicamente la orientación de polarización del elemento Hall (Figura 4). Este proceso modula la señal inducida magnéticamente y la compensación Hall de forma diferente, lo que permite la demodulación y el filtrado posteriores para suprimir la compensación inducida por la temperatura y por el estrés del paquete. La técnica ayuda a mantener los puntos de conmutación estables y dentro de los límites especificados después de que el dispositivo se integra en un ensamblaje.

Figura 4: La estabilización por chopper utiliza modulación, demodulación y filtrado para reducir el offset del elemento Hall. (Fuente de la imagen: Allegro)

Conclusión

La digitalización está impulsando la demanda de sensores de efecto Hall en una matriz diversa y desafiante de aplicaciones. Seleccionar el sensor adecuado requiere una cuidadosa consideración no solo de las necesidades de detección, sino también de las compensaciones de la BOM, el proceso de fabricación y ensamblaje, y el entorno operativo. Los sensores APS11203/APS12203 de Allegro ayudan a los diseñadores a equilibrar estas consideraciones ofreciendo una amplia gama de opciones adaptadas a requisitos que cambian rápidamente.