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Sensoriamento magnético de correntes (ART104)

Uma aplicação muito freqüente na indústria de sensores magno - resistivos é no sensoriamento da intensidade da corrente que circula num circuito. Esse sensoriamento serve para realimentar os circuitos de controle PWM que determinam a velocidade potência de motores, acionamento de solenóides, e muitos outros tipos de dispositivos semelhantes. Nesse artigo fazemos uma breve abordagem do princípio de funcionamento dos sensores magneto - resistivos usados na medida e controle de correntes. Muito do conteúdo desse artigo é baseado em documentação fornecida pela Honeywell (www.ssec.honeywell.com).


Uma das aplicações mais comuns dos sensores de corrente é na realimentação dos circuitos de controle de motores, conforme mostra a figura 1.

 


Figura 1 – Controle de motor por sensor de corrente.

Para se obter um sinal proporcional à corrente que circule por um condutor existem diversas tecnologias que são utilizadas nos componentes comerciais. Essas tecnologias incluem shunts resistivos, dispositivos de efeito hall, transformadores de corrente, dispositivos térmicos, etc.
Cada tecnologia tem suas vantagens e desvantagens como por exemplo a não existência de isolamento no caso do shunt ou ainda a queda de tensão no circuito causando perdas, etc.
Os sensores magneto - resistivos entretanto, oferecem muitas vantagens que analisadas podem torná-los uma escolha melhor do que os outros tipos.
Dentre as vantagens que destacamos para esses sensores está o fato de que eles proporcionam isolamento elétrico total, não causam alterações na intensidade da corrente do circuito sensoriado e além disso são rápidos o bastante para poderem operar com freqüências tão altas como 5 MHz, isso numa faixa dinâmica de 100 dB.

 


O Princípio de Funcionamento
Quando uma corrente circula através de um condutor, em sua volta é criado um campo magnético cuja orientação é mostrada na figura 2.

Figura 2 – Campo magnético de uma corrente elétrica

 

A conhecida regra da mão direita certamente já foi assunto de prova de todos que passaram por um curso técnico ou de engenharia.
O tratamento matemático desse campo é dado pelas Leis de Biot-Savart e Ampère, conforme todos já estudaram e que não cabe aqui detalhar (pode-se encontrar mais informações em qualquer livro de física do nível médio ou superior).
Para um condutor retilíneo circular, o campo magnético produzido consiste em anéis concêntricos que determinam vetores de campo paralelos, conforme mostra a figura 3.


Figura 3 – Campo magnético de um condutor retilíneo.

Observa-se ainda que em cada círculo que determina um vetor intensidade de campo magnético, sua magnitude é a mesma em qualquer um de seus pontos.
Passando ao mundo real, vemos que se usarmos unidades do SI para medir a intensidade do campo produzido por uma corrente de 1 A a uma distância de 1 cm, obtemos 20 uT (microTesla) ou 0,20 Gauss.
Na figura 4 temos um gráfico que nos mostra as intensidades de campo de diversas correntes em função da distância para um condutor ideal (de comprimento infinito).

 


Figura 4 – Campo para diversas correntes em função da distância de um condutor ideal.

Na prática os condutores não são ideais, afetando um pouco a maneira como se pode prever a intensidade do campo a uma certa distância. Os condutores são finitos, seu diâmetro não é nulo e sua geometria não é exatamente a de um condutor circular.

Na figura 5 temos um exemplo da intensidade do campo em torno de um condutor que tenha uma seção retangular. Esse condutor foi simulado colocando-se 5 fios um ao lado do outro.

Figura 5 – Campo para um condutor de seção retangular.

 

Abordagem para Projeto e Uso de Sensores
Sensores magneto - resistivos de corrente exigem certo cuidado na utilização, em função do próprio tipo de campo que é gerado pelo circuito que deve ser monitorado.
Pelo que vimos o campo não é constante, a geometria do condutor influi no que se mede conforme a distância e muito mais.
Assim, uma primeira prática recomendada é que, quanto maior for a intensidade da corrente medida, mais longe do condutor deve ser posicionado o sensor.
Lembramos que o campo magnético é um vetor e portanto sua orientação influi no modo como o sinal é induzido no sensor. Isso signfica que mudanças na posição do sensor devem ser previstas, conforme o caso.
Conforme mostra a figura 6, o sensor deve ser orientado de modo que o vetor campo magnético fique paralelo a ele, de modo a se garantir a máxima intensidade.

 


Figura 6 – Orientação apropriada do sensor.

 

Uma alteração em 10º do ângulo de posicionamento em relação ao vetor, altera em aproximadamente 1,6% a sensibilidade do dispositivo.
Para uma tolerância de posicionamento de mais ou menos meio grau, o sinal de saída apresentará uma variação de 0,3%, A figura 7 mostra como o erro de posicionamento afeta a precisão no sensoriamento da corrente.

Figura 7 – Precisão em função do erro de posicionamento.

Outro ponto a ser abordado consiste na movimentação do condutor em relação ao sensor. Conforme mostra a figura 8, se o sensor se movimentar segundo o eixo X ou Y em relação ao condutor alterações na resposta  ocorrem.

Figura 8 – Alterações da resposta pela movimentação do sensor.

Observamos que nesse caso, a movimentação segundo o eixo X permite colocar o sensor mais perto do condutor, de modo a operar apenas com uma parcela do campo produzido.
Na figura 8 mostramos como o sensor pode ser posicionado de modo a medir diferentes intensidades de corrente. Observe que para as correntes mais intensas, o sensor se posiciona mais longe do condutor, mas com uma orientação apropriada de modo a ser atravessado apenas por uma componente no eixo X do campo produzido.
O sensor tomado como exemplo é o HMC10212Z da Honeywell e a menor corrente que pode ser medida é de 10 A, utilizando-se um clipe para essa finalidade.
Existem outros sensores da mesma empresa que possibilitam a medida de correntes menos intensas e até mais intensas do que as limitadas pelo exemplo.
Método semelhante ao indicado pode ser usado para sensoriamento de correntes nas trilhas de placas de circuito impresso. O sensor é posicionado na face oposta da placa de circuito impresso, conforme mostra a figura 9.

 


Figura 9 – Medindo correntes numa placa de circuito impresso.

No entanto, como nos outros casos, o tratamento do sinal deve levar em conta que, exatamente como nos casos dos fios que vimos anterioremente, nem o sensor e nem o fio podem ser tratados como pontos.
Assim, o funcionamento do dispositivo deve ser obtido experimentalmente.

 


Usando Lâminas e Núcleos
O fluxo magnético pode ser concentrado com a utilização de materiais especiais na forma de núcleos ou lâminas. Na figura 10 temos dois exemplos em que materiais apropriados podem ser usados para concentrar o campo magnético que incide no sensor.

 


Figura 10 – Utilizando lâminas e núcleos.

No primeiro caso temos um núcleo sólido em forma de anel,  enquanto que no segundo caso temos uma pilha de lâminas. O núcleo laminado do segundo caso é especialmente indicado para o caso em que correntes de altas freqüências devem ser sensoriadas.
Os materiais usados nesses núcleos e lâminas, normalmente têm uma permeabilidade alta, como o ferro que tem uma permeabilidade da ordem de 2000 em relação ao ar e até materiais cuja permeabilidade chega a 100 000.
Uma permeabilidade 100 000 significa que o material pode “conduzir” as linhas de força do campo magnético 100 000 vezes mais do que o ar.
Veja que o sensor é posicionado no “gap” do núcleo ou lâminas de modo a ser percorrido pelo circuito magnético concentrado.
O núcleo e as lâminas nos formatos indicados também funcionam como blindagem, evitando a ação de campos externos como, por exemplo, o campo magnético da terra.
Conforme mostra a figura 11 os campos magnéticos externos são concentrados no núcleo mas sem passar pelo “gap” (abertura) onde está o sensor, evitando assim que eles interfiram. Isso ocorre porque a abertura apresenta uma relutância magnética elevada.

Figura 11 – Concentração de campos sem passar pelo gap.

Lembramos que a figura faz uma análise bidimensional do que ocorre mas serve como boa aproximação do efeito final que na realidade se manifesta em três dimensões.
No gráfico da figura 12 temos uma aproximação bidimensional do modo como a blindagem aumenta em função da abertura (gap) da laminação.

Figura 12 – Efeito da blindagem no campo.

Evidentemente, ao se utilizar núcleos ou lâminas deve-se considerar que ao lado da blindagem, obtém-se um aumento do custo e  da dificuldade de montagem do dispositivo.
O uso de núcleos e laminas tem também outra aplicação interessante. Pode-se fazer seu uso na medida de campos diferenciais, ou seja, dos campos gerados por duas correntes que circulem em sentidos opostos, conforme mostra a figura 13.

Figura 13 – Cancelamento de campos por correntes de sentidos opostos.

Como os campos ficam praticamente confinados pelo núcleo ou laminação, garante-se que se as correntes tiverem a mesma intensidade e portanto campos iguais mas de orientação oposta, eles se cancelam no sensor.
Finalmente, o uso de núcleos ou lâminas permite ainda que o condutor em seu interior se movimente sem que isso afete de modo sensível a sensibilidade do sensor.
Um ponto negativo no uso de materiais laminados é a histerese. Isso significa que o material pode ainda permanecer magnetizado por algum tempo, mesmo depois que a corrente no condutor cessa.
Outro efeito da histerese é um possível aquecimento do material, se o campo magnético produzido for muito intenso.

 


Sensoriamento em Circuito Fechado
No modo “closed loop” os sensores podem ter a sua faixa dinâmica aumentada.  Nesse modo, o sensor é colocado sob a influência de um campo compensador que faz com que seja possível zerar o campo sensoriado, mesmo quando a corrente não seja nula.
Assim, é possível fixar em zero a saída do sensor para uma determinada corrente no condutor sensoriado bastando para isso que no núcleo, conforme mostra a figura 14, seja enrolada uma bobina e nela seja aplicada uma corrente apropriada.

 


Figura 14 – “Zerando” o campo com uma bobina auxiliar.

Nesse circuito, o amplificador fornece um feedback à bobina no núcleo em que está o sensor, de tal forma que sua saída seja zerada compensando o campo criado pela corrente sensoriada.
Dessa forma, a tensão sobre o resistor de carga depende da intensidade do campo que deve ser cancelado e com isso se obtém uma saída proporcional que pode ser usada para excitar o circuito externo de medida ou controle.
A operação em laço fechado ou por realimentação, apresenta diversas vantagens como:

  • Possibilita a operação numa faixa muito maior de correntes sem saturar o núcleo.
  • A saída é altamente linear
  • A precisão é maior
  • As faixas passantes são maiores
  • Trabalhando com alto ganho o circuito é insensível à variações de características dos componentes
  • A faixa dinâmica do dispositivo é muito maior.


Conclusão
Não basta colocar um sensor junto a um condutor por onde passa a corrente que se deve monitorar ou medir para que tudo funcione como o esperado.
Conforme vimos nesse artigo, entendendo um pouco o princípio de funcionamento de sensores magneto - resistivos fica mais fácil entender certos problemas que podem ocorrer no seu uso e como solucioná-los.
Quando usar um núcleo ou lâminas, como posicionar um sensor, como blindar o sensor evitando a influência de campos magnéticos externos foram alguns dos assuntos que abordamos nesse interessante artigo.

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