Che cosa sono i sensori a effetto Hall e come funzionano

Per spiegare cos’è l’effetto Hall, consideriamo una lamina di materiale conduttore o semiconduttore con una dimensione longitudinale, una trasversale e una sezione o spessore di solito molto inferiore alle altre due dimensioni.

Ora “immergiamo” la lamina in un campo magnetico perpendicolare alla sua sezione: quando la lamina viene attraversata da una corrente elettrica in senso longitudinale si genera una differenza di potenziale in senso trasversale. Questo è in sintesi l’effetto Hall.

In termini di interazione elettromagnetica, l’effetto Hall è dovuto alla forza di Lorentz esercitata sugli elettroni: questa forza tende a spostare gli elettroni - che sono cariche negative - verso uno dei due bordi trasversali della lamina, pertanto il bordo opposto assume una carica positiva, e si genera una differenza di potenziale conosciuta proprio come tensione di Hall.

Il principio descritto è alla base del funzionamento dei sensori a effetto Hall.

Descrizione schematica dell’effetto Hall

In virtù del fenomeno appena descritto, i sensori a effetto Hall rilevano la presenza, l’intensità e la polarità di un campo magnetico ed emettono un segnale di uscita variabile in funzione di tali parametri.

Il segnale elettrico analogico o digitale prodotto dai sensori magnetici a effetto Hall viene successivamente elaborato per i requisiti di controllo del sistema di destinazione.

I sensori ad effetto Hall si distinguono per il tipo e la modalità di risposta, oltre che per le caratteristiche di costruzione e la specifica destinazione d’uso, come possiamo vedere continuando a leggere.

Una prima distinzione è tra sensori a effetto Hall unipolari e bipolari:

• i sensori unipolari rilevano la polarità di un campo magnetico, per cui il segnale di uscita è attivo solo in presenza di un determinato polo magnetico;
• i sensori bipolari, invece, rilevano l'effettiva presenza di un campo magnetico, la polarità determina solo il valore del segnale di uscita.

In funzione del tipo di uscita, abbiamo sensori a effetto Hall digitali e analogici:

• nei primi il segnale di uscita assume un valore digitale alto o basso (ad esempio, 0 V o 5 V), corrispondente alla presenza o assenza del campo magnetico/della polarità magnetica;
• i secondi presentano un intervallo continuo di valori del segnale di uscita (ad esempio, 0-5 V o 4-20 mA) in funzione dell’intensità del campo magnetico rilevato.

In base alle caratteristiche costruttive, in commercio esistono dispositivi a effetto Hall in ceramica, in contenitori con montaggio a flangia, oltre a sensori cilindrici e sensori integrati a foro passante, mentre per la destinazione d’uso i sensori a effetto Hall si distinguono in sensori di prossimità, sensori di posizione, sensori di velocità, sensori di corrente e interruttori magnetici.

I sensori a effetto Hall vengono impiegati in risposta a particolari quesiti tecnici, tra cui:

• Il rilevamento del livello di liquidi;
• Il rilevamento di vibrazioni;
• Il rilevamento di apertura e chiusura porte;
• Il conteggio di impulsi;
• La lettura di bande magnetiche;
• Il rilevamento di metalli ferrosi.

Il settore automobilistico impiega in modo massiccio i sensori a effetto Hall, ad esempio per rilevare la velocità di ruote e alberi di trasmissione, per comandare l’accensione dei motori endotermici e nel controllo dei sistemi ABS. Inoltre, sono utilizzati come indicatori del livello di carburante.

Nei motori elettrici a corrente continua senza spazzole servono a rilevare la posizione del magnete permanente, mentre nei trasformatori di corrente vengono utilizzati per la misura della corrente continua.

Altri settori in cui i circuiti con sensori a effetto Hall si rivelano utili riguardano la strumentazione nautica, i veicoli agricoli, i sollevatori, i macchinari industriali e la strumentazione medica.

Nell’uso come interruttori elettronici i sensori a effetto Hall offrono una maggiore convenienza e affidabilità rispetto agli interruttori meccanici:

• Non risentono dei contaminanti ambientali, perché sono racchiusi in involucri sigillati e sono in grado di funzionare in condizioni gravose;
• Sono in grado di sostenere frequenze di commutazione nell’ordine delle centinaia di kHz;
• Eliminano il problema del rimbalzo dei contatti, tipico degli interruttori a contatto meccanico.

Un altro esempio in cui i sensori a effetto Hall sostituiscono con successo una controparte meccanica è l’uso come sensori di rilevamento della posizione angolare.

I sensori magnetici a effetto Hall rappresentano, in definitiva, una soluzione economicamente vantaggiosa, efficiente e di lunga durata rispetto alle soluzioni meccaniche, in particolare quando vengono utilizzati in ambienti che presentano condizioni difficili in termini di temperatura, vibrazioni, umidità e contaminanti.

Un magnete, una scheda Arduino e un semplice sketch IDE consentono di osservare facilmente il comportamento e il funzionamento dei sensori a effetto Hall.

Ad esempio, consideriamo due sensori a effetto Hall integrati a tre pin (alimentazione +, massa Gnd e segnale di uscita): un sensore unipolare con uscita digitale e un sensore unipolare con uscita analogica.

Ci aspettiamo che il sensore digitale produca un’uscita al valore alto o basso in presenza o meno del campo magnetico, mentre quello analogico presenti un andamento variabile dell’uscita in funzione della distanza dal magnete, ossia dell’intensità del campo magnetico rilevato.

A tale scopo, basta collegare il pin Gnd, il pin di alimentazione + e il pin del segnale di uscita del sensore rispettivamente al pin Gnd, al pin + 5 V e al pin A0 di una delle versioni di schede Arduino disponibili nello shop Arduino di RS.

È inoltre consigliabile inserire una resistenza da 10 KΩ tra il pin + e il pin del segnale di uscita del sensore per assicurare il ripristino del valore digitale alto/valore di tensione alto del segnale di uscita.

Come accennato, lo sketch IDE è molto semplice; è sufficiente inizializzare la porta seriale, definire la variabile di lettura del pin A0 e inviare al monitor del PC il valore della lettura, avendo cura di inserire un tempo minimo di ritardo tra letture successive per la stabilità del segnale, ad esempio 1 millisecondo, come segue:

Void setup( ) {

Serial.begin(9600);

}

Void loop( ) {

int v = analogRead(A0);

Serial.println(v);

delay(1);

}

Una volta compilato e caricato lo sketch, se i due sensori sono entrambi perfettamente funzionanti dovremmo osservare il seguente comportamento dall’andamento riportato sul monitor:

• Avvicinando il magnete, l’uscita del sensore digitale dal valore alto si porta immediatamente al valore basso, con il tipico andamento a gradino di un segnale digitale;
• Con il sensore analogico si osserva, invece, una curva continua con massimi e minimi che variano avvicinando e allontanando il magnete.

In questa guida pratica hai visto qual è il principio fisico alla base del funzionamento dei sensori a effetto Hall e hai scoperto come funzionano, come vengono utilizzati e come si abbinano ad Arduino i sensori magnetici “contactless”.

Visita la categoria dei sensori a effetto Hall e dei sensori di movimento di RS per trovare tutti i modelli di sensori e interruttori magnetici a effetto Hall per le tue esigenze di progettazione.