Como funcionam os sensores de Efeito Hall (ART1050)

Os sensores de campos magnéticos são elementos importantes de uma infinidade de aplicativos que vão desde aparelhos de consumo até máquinas industriais. A forma mais simples de se fazer o sensoriamento magnético é através de uma bobina, mas existem elementos semicondutores próprios para isso que são os sensores de Efeito Hall. Veja neste artigo como funcionam os sensores de Efeito Hall e como eles são usados.

 

 

Prendendo-se um imã em qualquer peça móvel podemos detectar o movimento desta peça, medir a sua rotação ou ainda verificar a sua posição com a utilização de sensores magnéticos.

No carro, por exemplo, um sensor magnético mede com precisão a rotação do motor fazendo o acionamento das velas, conforme mostra a figura 1.

Circuito sem contatos, substituindo o platinado.
Circuito sem contatos, substituindo o platinado.

 

Numa máquina industrial um sensor magnético preso a uma engrenagem permite medir com precisão rotação e controlá-la com a ajuda de circuitos eletrônicos externos, conforme mostra a figura 2.

 

Usando sensor para medir a rotação de uma polia de uma máquina
Usando sensor para medir a rotação de uma polia de uma máquina

 

Este são apenas dois exemplos de aplicações para sensores que podem detectar a passagem de um corpo que produza um campo magnético ou ainda sua própria presença estática.

A forma tradicional de se fazer a detecção de um campo variável ou em movimento é através de uma bobina, conforme mostra a figura 3.

 

Usando uma bobina para detectar campos magnéticos.
Usando uma bobina para detectar campos magnéticos.

 

No entanto, este tipo de sensor tem suas limitações, como por exemplo a dificuldade de sua elaboração se for muito pequeno e a necessidade de se enrolar uma bobina.

Hoje em dia, cada vez mais, em lugar destes sensores de bobina estão sendo usados dispositivos semicondutores que podem detectar a presença de campos magnéticos. Estes dispositivos fornecem um sinal que depende da presença de um campo, mesmo que estático.

Rápidos, pequenos e baratos estes dispositivos denominados "de Efeito Hall" devem substituir os sensores tradicionais na maioria das aplicações práticas.

 

O EFEITO HALL

Existem substâncias no grupo dos semicondutores que possuem propriedades elétricas importantes que podem ser aproveitadas na construção de diversos tipos de dispositivos eletrônicos.

Uma delas, por exemplo, é que diferentemente dos metais onde a redução da temperatura diminui sua resistividade, no caso dos semicondutores, a redução da temperatura para valores muito baixo os leva a se tornarem isolantes.

Da mesma forma, a resistência dos materiais semicondutores é muito mais sensível a variações de temperatura do a que ocorre com outros materiais. Os termistores aproveitam justamente esta propriedade.

Mas, a mais importante delas é a que se deve a possibilidade da corrente ser transportada por portadores positivos ou negativos de cargas e que é amplamente aproveitada na construção de todos os dispositivos que fazem uso de junções.

No entanto, para o caso dos dispositivos que temos em mente, o efeito de um campo magnético sobre o deslocamento das cargas nestes materiais é que nos interessa.

Para entender melhor como funciona este tipo de sensor vamos fazer uma experiência imaginária. Conforme mostra a figura 4 ligamos numa pedaço de material semicondutor no sentido transversal um voltímetro e aplicamos no sentido longitudinal uma tensão de modo que flua uma corrente.

 

A corrente sem a ação de campos.
A corrente sem a ação de campos.

 

Sem a presença de campos magnéticos externos a corrente atravessa o material com os portadores de carga se distribuindo de maneira uniforme e no sentido paralelo não é detectada nenhuma tensão.

No entanto, se conforme mostra a figura 5 tivermos campo magnético externo atuando sobre esta material uma força perpendicular ao deslocamento das cargas vai fazer com que a distribuição das cargas seja modificada (Lei de Lorentz).

A intensidade desta força vai depender tanto da velocidade de deslocamento da carga como da intensidade do campo magnético.

Mas o resultado final disso, é que se aplicarmos a um material semicondutor uma diferença de potencial de modo que flua uma corrente, e ao mesmo tempo o submetermos a um campo magnético, no deslocamento através deles as cargas tendem a se desviar de sua trajetória normal, acumulando-se numa das faces laterais, conforme mostrou a figura 5 e com isso uma tensão será detectada.

 

O semicondutor sob a ação do campo.
O semicondutor sob a ação do campo.

 

Como uma outra consequência disso temos ainda que a corrente que pode circular pelo dispositivo se torna menor (aumenta sua resistência) o que pode ser detectado por um amperímetro ligado ao circuito agora em série com as faces no sentido longitudinal.

Evidentemente, para termos um melhor efeito sobre a resistência será interessante fazer com que a corrente percorra uma trajetória maior sob a ação do campo magnético.

Na prática isso é conseguido com a montagem dos dispositivos em formas como a mostrada na figura 6.

 

Construção sinuosa do chip.
Construção sinuosa do chip.

 

 

OS SENSORES NA PRÁTICA

Na prática os sensores de Efeito Hall ou Hall Sensors podem ser encontrados tanto na forma simples como com uma configuração em ponte.

Na figura 7 temos um sensor simples que pode ser encontrado em diversos fornecedores de componentes. Um dos fabricantes, por exemplo é a Honneywell (http://www.honeywell.com).

 

Sensor comum de Efeito Hall
Sensor comum de Efeito Hall

 

Outro exemplo de sensor deste tipo é o KMZ10 da Philips Components que possui uma configuração em ponte que é mostrada na figura 8.

 

O KMZ10A1 da Philips.
O KMZ10A1 da Philips.

 

Com a configuração em ponte é possível fazer a detecção de variações do campo em ambos os sentidos simplificado o projeto dos circuitos detectores.

 

UTILIZAÇÃO

O posicionamento do sensor em relação ao campo magnético, o modo como o campo varia o que será função do movimento da peça ou do imã a ser monitorado determinam a forma de sinal que obtemos na saída de um sensor de Efeito Hall.

Para o projetista é muito importante conhecer todas as possibilidades de posicionamento relativo sensor-campo de modo a planejar o circuito detector e os dispositivos em que ele vai ser instalado.

A seguir vamos analisar as principais formas de uso dos sensores.

 

a) Aproximação simples

No método mostrado na figura 9 o sensor e o imã que gera o campo magnético se aproximam perpendicularmente de modo que a ação sobre o chip aumenta com a diminuição da distância, conforme mostra o gráfico na mesma figura.

 

Detecção por aproximação simples.
Detecção por aproximação simples.

 

Este arranjo pode ser usado para uma chave de fim de curso ou ainda para se medir a velocidade de aproximação ou afastamento de uma peça.

 

b) Passagem lateral tripolar

No método mostrado na figura 10, um imã tripolar passa lateralmente ao sensor gerando um campo no sensor cuja variação é representada no gráfico na mesma figura.

 

Usando um imã tripolar.
Usando um imã tripolar.

 

Com este arranjo a passagem de um objeto diante do sensor em que estes imãs estejam presos pode ser detectada com extrema sensibilidade. O pico de magnetização faz com que o sinal de saída seja agudo o suficiente para excitar com facilidade circuitos lógicos desde que devidamente amplificados.

Podemos usar este arranjo para medir a velocidade de passagem de objetos (rotação, por exemplo) ou ainda fazer a contagem de objetos.

 

c) Passagem lateral unipolar

Neste caso um imã simples passa diante do sensor de modo que as suas linhas de força possam atuar sobre o chip conforme mostram as setas. A figura 11 mostra o que ocorre e o tipo de variação de campo sobre o sensor que é obtida o que vai corresponder também à forma de onda do sinal obtido na saída.

 

Passagem Lateral.
Passagem Lateral.

 

Este tipo de arranjo não tem a mesma sensibilidade do anterior mas funciona perfeitamente nas aplicações menos críticas.

 

d) Passagem lateral bipolar

Na figura 12 temos o caso em que dois imãs são colocados de modo a gerar um duplo campo magnético que vai atuar sobre o sensor quando da passagem lateral de um em relação ao outro.

 

Usando dois imãs.
Usando dois imãs.

 

A forma do sinal gerado nestas condições é mostrado na própria figura,

 

e) Passagem lateral com dois imãs separados

No arranjo mostrado na figura 13 em que são usados dois imãs, a forma do sinal gerado é mais suave com picos determinados pela distância de separação entre os dois imãs.

 

Passagem lareal com dois imãs.
Passagem lareal com dois imãs.

 

Muitos sensores de distância comerciais usam este arranjo.

 

f) Imã rotativo

No arranjo mostrado na figura 14 um imã circular ou imãs presos a uma peça circular de modo a gerar o mesmo padrão de campo permitem detectar movimentos de rotação com facilidade.

 

Usando um imã rotativo.
Usando um imã rotativo.

 

O sinal gerado com este arranjo é senoidal e pode ser facilmente trabalhado para excitar circuitos lógicos.

 

Outros arranjos

O posicionamento do sensor em relação ao campo de um imã admite muitos arranjos além dos indicados.

Tudo vai depender da orientação das linhas do campo que deve ser detectado, se sua variação e também de sua intensidade.

O projetista que trabalha com este tipo de sensor deve estar atento para as curvas se sensibilidade em relação a posição ao fazer um projeto e também ao seu próprio formato que pode incluir recursos no sentido de concentrar ou dispersar linhas de força.

Um exemplo interessante de aplicação é mostrado na figura 15 em que a passagem de um dente de uma engrenagem de um material ferromagnético entre um sensor hall um imã permanente, concentra as linhas de força do campo gerando um pulso de sinal.

 

Arranjo com imã fixo.
Arranjo com imã fixo.

 

O efeito inverso pode ser obtido com a passagem de uma engrenagem de material diamagnético (alumÍnio, por exemplo) que dispersa as linhas de força do campo magnético conforme mostra a figura 16.

 

Detectando a passagem de materiais diamagnéticos.
Detectando a passagem de materiais diamagnéticos.

 

CONCLUSÃO

Pela sua velocidade de resposta, pela robustez e durabilidade os sensores de efeito hall podem ser usados numa infinidade de aplicações e por isso podem ser encontrados numa infinidade de formatos e sensibilidades.

Nos sites de fabricantes de sensores como Philips, Siemens, Honeywell e outros os leitores podem encontrar informações específicas sobre os sensores fabricados facilitando assim a escolha do tipo para o projeto específico.


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