PROYECTO FINAL DE MEDICIONES ELÉCTRICAS E
INSTRUMENTACION DIGITAL
“AMPERIMETRO DE EFECTO HALL AC CON ARDUINO”
Elissa Peña Vargas 192283(GRUPO B), Yoselin Merry Arapa Quispe 192623(GRUPO A)
Universidad Nacional de San Antonio
Abad del Cusco
Facultad De Ingeniería: Eléctrica, Electrónica, Informática Y Mecánica
Abstract: The purpose of this project is to present the theoretical and practical operation of the hall sensor for the implementation of
an ammeter using it and an arduino whose purpose is to show us on a computer screen the magnitude of the current that circulates
through a circuit.
Palabras clave:
Efecto hall, corriente, amperímetro, sensor, Arduino.
RESUMEN
En el presente documento se realizará la implementación
de un amperímetro haciendo uso de un sensor hall que
trabajara con Arduino, ya que este es un componente
indispensable que nos ayudara a visualizar los datos
obtenidos mediante el sensor atreves del ordenador.
I.
INTRODUCCIÓN
En el presente informe se detalla el diseño de un instrumento
de medición de corriente alterna, con la posibilidad de indicar
mediante cálculo matemático la potencia que esa corriente
alterna consume en una red de 220V.
Empleando una placa de desarrollo Arduino se desarrolló un
código que posibilitara dicha medición, utilizando un sensor
de corriente de efecto hall. La presentación de datos se hace a
través del ordenador. Partiendo de las especificaciones que el
fabricante proporciona para el sensor de corriente, se
realizaron los ajustes de cero y calibración de sensibilidad y
otros errores, de manera experimental, en busca de mayor
exactitud en la medida, y adecuarlo al uso en la práctica.
Brevemente se dará una introducción teórica de los temas que
competen a dicho instrumento, sobre conceptos básicos de
mediciones electrónicas y el hardware utilizado. Finalmente se
desarrolla una contrastación a través de una pinza
amperimétrica para corroborar los resultados obtenidos.
OBJETIVOS
1.
2.
Entender el comportamiento del efecto hall
Realizar un instrumento que mida la corriente alterna
con un error lo más bajo posible teniendo en cuenta
las especificaciones del sensor.
3. Comparar y corroborar los resultados obtenidos para
la posterior interpretación.
II.
MARCO TEORICO
MEDICIONES DE ERRORES Y CONTRASTACIÓN DE
INSTRUMENTOS.
Medir es comparar una magnitud desconocida con otra conocida
considerada patrón. En toda medición se cometen errores. Un error es la
diferencia entre el valor verdadero y el valor medido.
Tenemos errores humanos, accidentales y sistemáticos, y podemos
cuantificarlos a través del error absoluto, error relativo y error relativo
porcentual.
ERROR EN INSTRUMENTO DIGITAL
La exactitud en los multímetros digitales es el mayor error permitido,
expresado como porcentaje o un valor absoluto. Se expresa con dos
términos, uno de ellos es un porcentaje de lectura y el otro es la
cantidad de dígitos fijos de error.
Aplicación práctica:
Donde se define ɛ%, x dígitos y Resolución por el fabricante en el
manual, dependiendo del rango utilizado.
PROPAGACIÓN DE ERRORES
Esto se dará en las mediciones indirectas. Se deberá tener en cuenta que
los multímetros presentan cierta resistencia interna que provocará una
cierta caída de tensión al pasar la corriente por ella, lo que modificará
las mediciones.
Tenemos 3 tipos de mediciones:
 MEDICIÓN DIRECTA: Comparación simultánea entre la
variable a medir y la unidad.
 MEDICIÓN SEMIDIRECTA: La comparación de diferida en
el tiempo. Es la más importante, y un ejemplo claro son las

mediciones con voltímetro. Instrumentos acotados en
unidades de la misma dimensión que la variable a medir.
MEDICIÓN INDIRECTA: No se mide la variable que
interesa, sino otras vinculadas con ella mediante leyes
conocidas, por ejemplo, la medición de potencia
utilizando amperímetro
y voltímetro. Errores
sistemáticos y propagación del error.
CONTRASTACIÓN:
Contrastar es la comparación de uno o más instrumentos
desconocidos con otro conocido perfectamente y calibrado
(patrón) para poder conocer los errores del primero. El
instrumento patrón es más exacto y es tomado como referencia, el
cual nos permitirá conocer los errores de los instrumentos
contrastados y si es posible corregirlos (como es el caso de
algunos instrumentos analógicos).
Se debe contrastar periódicamente todos los instrumentos de
medida para saber el error con que se trabaja (mide) y tratar de
corregirlo, algunos instrumentos traen puntos de ajuste o
calibración.
EXISTEN DOS FORMAS DE CONTRASTACIÓN:
 Contrastación directa: es cuando se contrastan
instrumentos del mismo tipo. Ejemplo: dos voltímetros o
dos amperímetros.
 Contrastación indirecta: cuando se contrastan un tipo
de aparato en función de otros.
Ejemplo: vatímetro contra un voltímetro y un amperímetro.
Los instrumentos usados para este caso, deben presentar la menor
impedancia de entrada en la medición de corriente, a fin de no perturbar
al circuito. (error de inserción). Al utilizar el método de medición
aprovechando la propiedad de efecto hall, no se modifica
la resistencia del circuito, es decir, el instrumento no representa una
carga que modifique su funcionamiento, ni la medición, ya que la
corriente circulará por un conductor dentro del sensor, aislado del
circuito de medición.
EFECTO HALL.
El efecto Hall se produce cuando se ejerce un campo magnético
transversal sobre un cable por el que circulan cargas. Como la fuerza
magnética ejercida sobre ellas es perpendicular al campo magnético y a
su velocidad (ley de la fuerza de Lorentz), las cargas son impulsadas
hacia un lado del conductor y se genera en él un voltaje transversal o
voltaje Hall (VH). Edwin Hall (1835 - 1938) descubrió en 1879 el
efecto, que, entre otras muchas aplicaciones, contribuyó a establecer,
diez años antes del descubrimiento del electrón, el hecho de que las
partículas circulan por un conductor metálico tiene carga negativa.
AMPERIMETRO
Un amperímetro es un instrumento que se utiliza para medir la
intensidad de corriente que está circulando por un circuito
eléctrico. En términos generales, el amperímetro es un simple
galvanómetro (instrumento para detectar pequeñas cantidades de
corriente), con una resistencia en paralelo, llamada "resistencia
shunt". Disponiendo de una gama de resistencias shunt, se puede
disponer de un amperímetro con varios rangos o intervalos de
medición. Los amperímetros tienen una resistencia interna muy
pequeña, por debajo de 1 ohmio, con la finalidad de que su
presencia no disminuya la corriente a medir cuando se conecta a
un circuito eléctrico.
En la actualidad los amperímetros utilizan un conversor
analógico/digital para la medida de la caída de tensión en un
resistor por el que circula la corriente a medir. La lectura del
conversor es leída por un microprocesador que realiza los
cálculos para presentar en un display numérico el valor de la
corriente eléctrica circulante.
En el proyecto presente no se utiliza una resistencia shunt para el
censado de corriente, sino que se hace uso del efecto hall, el cual
se describirá a continuación
MEDICIÓN DE CORRIENTE
Para medir corriente, se debe abrir el circuito a medir a fin de 6 de
35 intercalar los extremos del instrumento en serie con el circuito.
Este tipo de medida se denomina intrusiva, y nuestro sensor es de
éste tipo, a pesar de existir en el mercado sensor no invasivos para
el sensado de corriente.
A la izquierda se muestra
un dispositivo experimental
destinado a medir el voltaje
Hall. Sobre una corriente
eléctrica actúa un imán que
produce
un
campo
magnético (B). La fuerza
magnética (Fm) desvía a las
cargas móviles hacia uno de
los lados del cable, lo que
implica que dicho lado
queda con carga de ese signo
y el opuesto queda con carga
del signo contrario. En
consecuencia, entre ambos se establece un campo eléctrico y su
correspondiente diferencia de potencial o voltaje Hall.
La obtención experimental del voltaje Hall, permite deducir la
velocidad de los portadores de carga y su concentración, puesto que,
desde que se alcanza la situación estacionaria, la fuerza eléctrica
ejercida sobre cada carga (Fe = q·E) se equilibra con la fuerza
magnética [Fm = q·(v x B)]. De ello se deduce que el voltaje Hall es
directamente proporcional a la corriente eléctrica y al campo magnético
y es inversamente proporcional al número de portadores por unidad de
volumen. 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.
Si ambos (la fuerza del campo magnético y la corriente) son
conocidos, entonces el sensor Hall se puede usar como detector
de metales o, más en general, como detector de componentes
magnéticos diversos. Así se encuentra este tipo de sensores en
circuitos integrados, en impresoras láser, en disqueteras de
ordenador, en motores de corriente continua, etc.
LA FÍSICA CLÁSICA DEL EFECTO HALL
Se sabe que un campo magnético actúa sobre las cargas en
movimiento (fuerza de Lorentz). Una corriente I que atraviesa un
material consiste en cargas (electrones) que se desplazan (en
dirección contraria a la corriente) con una velocidad que se
denomina v. Si se sumerge esa corriente de electrones en un
campo magnético B, cada uno de los electrones que forman la
corriente estará sometidos a la fuerza de Lorenz Fm = -e.v^B
(como en el dibujo se cambió la dirección de v, ya que se está
considerando un electrón, no debería considerarse el signo
negativo de la carga). Donde -e corresponde a la carga de un
electrón, v el vector velocidad del electrón y B el vector campo
magnético aplicado. 9 de 35 La dirección de la fuerza será
perpendicular al plano formado por v y B (ya que es resultado del
producto vectorial de ambos) y provocará un desplazamiento de
electrones en esa dirección.
Como consecuencia se tendrá una concentración de carga
negativas sobre uno de los lados del material y un déficit de
cargas negativas en el lado opuesto. Esta distribución de cargas
genera una diferencia de potencial entre ambos lados, la tensión
de Hall VH, y un campo eléctrico EH. Este campo eléctrico que
genera a su vez una fuerza eléctrica sobre los electrones dada por
la ley de Coulomb, Fe = -e. EH, que actúa en dirección contraria
que la fuerza de Lorentz. El equilibrio se alcanzará cuando la
suma de las dos, de lo cual se deduce que en el equilibrio el valor
del campo Hall es: EH = -v^B.
TEORÍA EFECTO HALL APLICADA AL AMPERÍMETRO
El efecto Hall se caracteriza básicamente por la aparición de un
campo eléctrico transversal en un conductor recorrido por una
corriente eléctrica, cuando el mismo se encuentra sumergido en
un campo magnético. Considere la siguiente figura, donde una
película de material semiconductor es recorrida por una corriente
eléctrica constante. La distribución de corriente sobre el mismo es
uniforme, y no existe diferencia de potencial en la salida.
En presencia de un campo magnético perpendicular, el flujo de
corriente es distorsionado. La distribución resultante provoca la
aparición de una DDP entre los terminales de salida. Esto DDP se
llama tensión de Hall.
Una ecuación que describe superficialmente la interacción entre campo
magnético, corriente y Tensión Hall es:
Dónde:
k : constante, definida por la geometría del elemento de Hall y la
temperatura ambiente.
I : La corriente que fluye a través del elemento.
B. sin 𝜃: Componente del campo magnético perpendicular a la película.
SENSORES DE EFECTO HALL
La tensión Hall es una señal bastante débil, del orden de 20 a 30
microvoltios, en un campo magnético de 1 gauss. Una señal de esta
magnitud requiere un amplificador con características de alta
impedancia de entrada, bajo ruido y ganancia considerable.
En la figura siguiente se muestra una curva que caracteriza
cualitativamente el comportamiento del sensor de efecto Hall. Para
valores de campo magnético más allá del alcance especificado, la
respuesta obtenida ya no será lineal, comprometiendo así la exactitud de
la medida, pero sin causar daños al transductor.
Los transductores de corriente por efecto Hall son capaces de "ver"
corrientes dc y ac y formas de onda complejas. Una característica
importante es su capacidad de realizar esto todo estando aislado
galvánicamente del circuito principal. Las principales ventajas son el
bajo consumo, pequeño tamaño y peso. Las pérdidas por inserción son
prácticamente nulas y sobre corrientes no llegan a causar daños al
circuito de medida.
SENSOR ACS712.
El ACS712 es un sensor de corriente tanto alterna como continua, que
permite medir la intensidad eléctrica que atraviesa un conductor.
Podemos emplear el ACS712 junto con un procesador como Arduino
para medir la intensidad o potencia consumida por una carga.
Internamente el ACS712 consiste en un sensor hall de precisión y bajo
offset junto con un canal de conducción localizado cerca de la
superficie del integrado. Cuando la corriente fluye por el canal de cobre
genera un campo magnético que es detectado por el sensor Hall y es
convertido en una tensión. La salida del sensor es una tensión
proporcional a la corriente, y altamente independiente de la
temperatura. El sensor viene calibrado desde fábrica, aunque para
una medición de precisión hará falta un ajuste de la calibración.
El camino conductor está aislado galvánicamente del IC
garantizado un mínimo 2.1 kVRMS Su resistencia es muy baja,
1.2 mΩ, lo que se traduce en pequeñas pérdidas. Existen modelos
para rangos de 5A, 20A, 30A. El sensor soporta corrientes hasta
5x el rango de medición del sensor. Sobrepasar el límite dañara el
ACS712.
La mayor desventaja del ACS712 es que es un sensor intrusivo,
es decir, es necesario insertarlo en un conductor lo cual puede
suponer que tengamos que cortar un cable. Es una gran desventaja
frente a sensores no intrusivos como el transformador de
intensidad STC-013.
Aplicaciones típicas del ACS712 incluyen control de motores,
control de cargas, fuentes de alimentación, y protecciones contra
sobretensiones.
ARDUINO
Arduino UNO es una placa basada en el microcontrolador
ATmega328P. Tiene 14 pines de entrada/salida digital (de los
cuales 6 pueden ser usando con PWM), 6 entradas analógicas, un
cristal de 16Mhz, conexión USB, conector Jack de alimentación,
terminales para conexión ICSP y un botón de reseteo. Tiene toda
la electrónica necesaria para que el microcontrolador opere,
simplemente hay que conectarlo a la energía por el puerto USB o
con un transformador AC-DC
Estás son sus características técnicas:
 Microcontrolador: ATMega328P.
 Velocidad de reloj: 16 MHz.
 Voltaje de trabajo: 5V.
 Voltaje de entrada: 7,5 a 12 voltios.
 Pin-out: 14 pines digitales (6 PWM) y 6 pines analógicos.
 1 puerto serie por hardware.
 Memoria: 32 KB Flash (0,5 para bootloader), 2KB RAM y
1KB Eeprom
sensor con capacidad de 30 Amperios lo cual recurriremos al datasheet
ACS712 30A para obtener la sensibilidad y algunos aspectos que
requerimos para su conexionado y posterior uso.
Como observamos la sensibilidad del sensor depende y es inversamente
proporcional a su capacidad en este caso nuestra sensibilidad es igual a
0.066V o 66 mV.
ARDUINO UNO
Haremos uso de un arduino uno ya que el sensor trabajara con este
microcontrolador a través del conexionado que se realizara usando los
pines del sensor
DESARROLLO.
En primera instancia y teniendo los conocimientos previos
necesarios para poder realizar este proyecto, daremos a conocer
los materiales y herramientas que se utilizaran:
SENSOR DE EFECTO HALL ACS712 30A
Como ya se mencionó anteriormente en nuestro marco teórico,
este sensor El ACS712 es un sensor de corriente tanto alterna
como continua, que permite medir la intensidad eléctrica que
atraviesa un conductor. Cuando la corriente fluye por el canal de
cobre genera un campo magnético que es detectado por el sensor
Hall y es convertido en una tensión. La salida del sensor es una
tensión proporcional a la corriente, y altamente independiente de
la temperatura. Encontramos en el mercado distintos modelos a
diferentes capacidades de este sensor como de 5, 20 y 30
amperios. Específicamente para es proyecto haremos uso de un
CONEXIONDADO A TRAVEZ DE PROTOBOARD
Para el conexionado utilizaremos cables y protoboard ya que si no se
cuenta con cables macho-hembra podemos hacer uso de esta
herramienta para conectar ambos dispositivos de la siguiente manera.
CONEXIONADO SENSOR ARDUINO
Es importante conocer el conexionado entre ambos dispositivos
ya que un error en la conexión podría dañar nuestros
componentes. En este caso y prevenir estos errores mostraremos
el conexionado correcto a continuación.
CODIGO DE ARDUINO
Es el código con el que trabajara nuestro arduino y procesara los
datos que se obtienen del sensor para posterior mente mostrarnos
a través de la pantalla de un ordenador.
El código se encuentra en lenguaje de Matlab, pero podemos
hacer uso de otro lenguaje de programación.
cuya carga serán focos de distintas potencias para visualizar distintos
valores que mediremos.
El circuito estará alimentado por una fuente de 220 v
Ya que tenemos el valor de la fuente y la potencia de nuestra carga.
Teóricamente podemos sacar el valor nuestra corriente con la siguiente
formula:
Donde podemos despejar la variable corriente y obtener nuestros datos
de manera teórica.
SIMULACION
Para corroborar de que nuestro código tanto como nuestro circuito
opere de una forma segura y correcta se realizó una simulación en
TINKERCAD. Y como esta plataforma no cuenta con un sensor hall, se
utilizo en su lugar un potenciómetro que reemplaza este dispositivo. De
esta manera se comprobó que tanto el circuito como el código del
Arduino son correctos.
CIRCUITO DONDE SE MEDIRA LA CORRIENTE
El amperímetro que se está realizando será capaz de medir la
corriente alterna de un circuito y para este caso tendremos uno
CONCLUSIONES
Se logro medir la corriente de un circuito a través de este sensor de
efecto hall sin la necesidad de hacer uso de un amperímetro
convencional con lo que podemos deducir que este dispositivo tiene
muchas más aplicaciones.
Se pudo procesar los datos que se recopilaron a través del sensor y
posteriormente al Arduino
y observar en pantalla el valor de la
corriente que se está buscando.
En conclusión pudimos observar como es que trabaja el sensor de
efecto hall y también conocer la forma en la que se utiliza un
Arduino ya que esta es la primera oportunidad en la que nos
familiarizamos con este dispositivo. Asimismo concluir que la
programación es indispensable y seguiremos haciendo uso dentro
de nuestra formación como profesionales.
BIBLIOGRAFIA
 https://naylampmechatronics.com/blog/48_tutorialsensor-de-corriente-acs712.html
 https://www.youtube.com/watch?v=XNlyGgiTFY&t=135s
 https://www.youtube.com/watch?v=Q6f3VA2Vsic