SENSORES DE EFEITO HALL E SUAS APLICAÇÕESBruno Moreira Nogueira Vilela*
[email protected] Guilherme de Oliveira Alves*
[email protected] Universidade Federal de Juiz de Fora* Faculdade de Engenharia Departamento de Energia Materiais Elétricos ENE040 Maria Rita Dias Faria*
[email protected] Resumo: Este texto demonstra as características do efeito Hall e suas várias aplicações. Uma escolhida e citada no trabalho em questão é como objeto de sensoriamento. Dentro dessa aplicação existem inúmeros tipos e usos diferentes, porém nesse trabalho serão abordados cinco tipos: de nível líquido (de combustível, chave de indicação de nível baixo), sensor de corrente elétrica, sensor de velocidade, para medição da mobilidade de elétrons e sensores de posição. Palavras Chaves: efeito Hall, sensores de nível líquido, sensor de corrente elétrica, sensor de velocidade, sensor para medição da mobilidade de elétrons e sensores de posição. Abstract: This text shows the characteristics of the Hall effect and its various applications. A chosen and cited in this paper is its use as sensing object. Within this application there are numerous different types and uses, but in this paper will be discussed five types: liquid level (fuel, key indication of low level), the electric current sensor, speed sensor, for measuring the electron mobility and position sensors. Key Words: Hall effect sensors, liquid level, electric current sensor, speed sensor, for measuring the mobility of electrons and position sensors. 2 DESENVOLVIMENTO Esse capítulo traz considerações sobre o efeito Hall e exemplifica algumas formas de sensoriamento por meio do mesmo. 2.1 O Efeito Hall O Efeito Hall foi descoberto em 1879 por Edwin Hall, que submeteu um condutor elétrico a um campo magnético perpendicular à direção da corrente elétrica. Hall verificou que uma diferença de potencial elétrico aparecia nas laterais deste condutor na presença do campo elétrico. Este efeito ocorre devido ao fato de as cargas elétricas tenderem a se desviar da sua trajetória por causa da Força de Lorentz – Força Magnética. Desta forma, cria-se uma acumulação de cargas nas superfícies laterais do condutor produzindo uma diferença de potencial. Apesar de o efeito Hall existir em qualquer material condutor, o seu efeito é mais intenso em materiais semicondutores. No entanto, os semicondutores apresentam variações entre gêneros, necessitando de um circuito eletrônico auxiliar para ajustar o sinal do efeito Hall para um valor calibrado do campo magnético. A grande vantagem do sensor Hall como elemento de medida do campo magnético é a capacidade de medir campos contínuos (CC) ou alternados num único dispositivo. 1 INTRODUÇÃO 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 [1]. O efeito Hall fornece a capacidade para várias medições magnéticos sem contato, como: de velocidade e direção para detecção de corrente. Os requisitos de aplicação têm impulsionado os fornecedores a desenvolver produtos com maior capacidade [2]. Dito isto, há uma abundância de variações para sensores de efeito Hall, a fim de atender ao grande número de posição e aplicações de detecção de nível, cada um com suas próprias nuances. 2.1.1 Efeito Hall – Teoria O efeito de Hall caracteriza-se basicamente pelo aparecimento de um campo elétrico transversal num condutor percorrido por uma corrente elétrica, quando o mesmo se encontra submerso num campo magnético. Observando a Figura 1, verifica-se que um condutor, na forma de uma fita delgada é percorrido por uma corrente elétrica constante; a distribuição da corrente sobre a mesma é uniforme e não existe diferença de potencial na saída. 1 um deles é que o efeito Hall muda de caráter. na agricultura e setor de nutrição humana e animal para monitorar dosagens e o nível de fertilizantes líquidos. a baixas temperaturas.2 Tipos de sensores Esse subcapítulo expõe sensores que têm como função base a utilização do efeito Hall. Sensores de temperaturas. Potenciômetros. bem como outras formas de medição. Sensores de tensão. o fluxo de corrente é distorcido. Algumas delas estão descritas abaixo [3]. houve pesquisadores que usaram temperaturas extremamente baixas. apenas em duas dimensões. caminhões e motocicletas são equipados com um sensor de combustível para medir a quantidade de gasolina.1 Sensores de nível líquido Os sensores de nível de líquidos são usados em diferentes aplicações com diferentes requisitos [4]. na indústria petroquímica para monitorar petróleo e seus derivados líquidos. cerca de -272 °C e campos magnéticos muito potentes. Aplicações de medição magnéticas.2 Efeito de Hall . Na Figura 3 é mostrada uma curva que caracteriza qualitativamente o comportamento do sensor de efeito Hall. Figura 2: Distorção do fluxo de corrente devido à presença de campo magnético [3] A tensão de Hall é um sinal bastante frágil.2. Amperímetros. separando duas partes distintas do material. 2. Nesta camada. por exemplo: máquinas de café automáticas. Um sinal desta magnitude requer um amplificador com característica de alta impedância de entrada. Isto pode ser visto mais simplesmente quando se mede como a resistência de Hall varia com o comprimento do campo magnético aplicado. da ordem de 20 a 30 mV. O material contém elétrons que. Hall realizou as suas experiências em temperatura ambiente com campos magnéticos de aproximadamente 1 tesla (T). transporte e armazenamento de água. Esta limitação geométrica leva a efeitos inesperados. 2. Na indústria de consumo e eletrodomésticos existem aplicações onde é necessário controlar e mostrar informações de nível de líquidos como. 2.1. Figura 3: Comportamento do sensor de efeito [3] 2 . a resposta obtida deixará de ser linear. Sensores de posição. comprometendo assim a exatidão da medida sem causar danos ao transdutor. A distribuição resultante provoca o aparecimento de uma diferença de potencial (DDP).3 Diversas aplicações de efeito de Hall Existe uma série de aplicações desse efeito para funções de sensoriamento. são altamente móveis ao longo da superfície. entre os terminais de saída. Detector de posição de válvulas de pressão de ar. baixo ruído e um ganho considerável. embora estejam retidos perto da superfície interna.2. aproximadamente 30 T. Sensores de proximidade. No final dos anos 70. Bem como as suas aplicações. os elétrons podem ser usados para se moverem como se estivessem numa superfície plana. como pode ser visto na Figura 2. álcool ou diesel que resta dentro do tanque. Aplicações automotivas: carros. Para valores de campo magnético além do alcance especificado. Esta DDP é chamada de Tensão de Hall (VH).Variações com temperatura Figura 1: Condutor percorrido por corrente elétrica [3] Na presença de um campo magnético perpendicular. Eles estudaram o efeito Hall num tipo de semicondutor usado na indústria eletrônica para a fabricação de transistores de pouco ruído. num campo magnético de 1 gauss. Sensores de nível de líquidos. Aplicações industriais e de consumo: temos uma ampla variedade de líquidos presentes na mais diferentes aplicações: na indústria de saneamento para monitorar tanques de tratamento.1. ou seja. Sensores de corrente elétrica. Detector de metais ferro magnéticos. a solução com interruptores Hall necessita apenas de um ímã. assim. Uma forma de se obter uma boa resolução na medição e na distância coberta é se certificar que durante as transições sempre haja dois sensores ativos [4]. o sensor Hall linear é posicionado no centro de um ímã em um anel magnetizado diametralmente. caldeiras. sinal contínuo ou discreto. Para tanto. é possível então escolher qual saída deve ser utilizada. etc. Diferentemente dos sensores lineares. ferros de passar a vapor. 2. Figura 7: Possíveis sinais de saída de uma fileira de sensores Hall lineares [4] As distâncias entre os sensores Hall lineares devem ser escolhidas de tal forma que haja sempre um sensor em sua faixa linear. É um sensor de nível de combustível sem contato com o líquido baseado em um princípio magnético. espremedores de frutas. o que traz uma melhor segurança contra distúrbios externos. evaporadores de água. ao mesmo tempo. 2. podem-se observar exemplos de sensores Hall lineares: Através da escolha certa da distância e do tamanho dos ímãs. pode-se usar 3 . então os sensores Hall Switches consistem numa opção mais barata e mais simples. reduz os custos dos materiais utilizados.2 Chave de indicação de nível baixo Em alguns casos é necessário emitir um sinal de alerta para indicação de baixos níveis de líquidos. Este circuito é um pouco menos robusto contra desalinhamentos mecânicos. Esta implementação tem a seguinte vantagem: o campo magnético dentro do anel é bem homogêneo. podemos utilizar neste projeto tanto sensores Hall linear ou chaves interruptoras Hall. Esta solução oferece um razoável grau de precisão e que. mas é suficiente para diferentes aplicações de medição de nível de combustíveis. em volta do ímã temos outro anel feito de uma liga leve de ferro que será usado para orientar o fluxo magnético. Os circuitos magnéticos mostrados na Figura 4 podem ser utilizados para uma simples implementação prática. não significam grandes desvios no sinal de saída. Na Figura 5. Como vimos na Figura 6.1. é um circuito magnético mais simples que usa apenas duas placas magnéticas.2. sistemas de aquecimento. Outra possível implementação dos sensores de nível de combustível seria o uso de uma bóia de movimento vertical. Dependendo da necessidade. vaporizadores. mostramos esta implementação onde é usada uma fileira de sensores Hall Switches. se é necessário saber apenas um sinal discreto do nível do líquido. no segundo exemplo visto na Figura 5. A Figura 6 exibe as duas possibilidades de implementação usando uma fileira de sensores Hall que se utiliza de dois pequenos ímãs.dispenser de água. Adicionalmente o sensor é protegido pela liga leve de ferro. lavadoras de pratos. Dependendo do sinal de saída dos sensores. Figura 5: Três diferentes modelos de sensores Hall lineares [4] Outra alternativa.1. bem como os sistemas de braço e alavanca. o componente horizontal do campo magnético acaba por ser linear em uma considerável faixa de operação como podemos ver na Figura 7. mostraremos soluções de chave única para indicação de tanque cheio e tanque vazio [4]. Agora. mesmo pequenos problemas de variações mecânicas. Figura 6: Flutuador vertical baseado em sensores de efeito Hall lineares e interruptores Hall [4] Figura 4: Duas possibilidades de projetos de simples circuitos magnéticos que direcionam as linhas dos campos magnéticos [4] No primeiro exemplo. os quais estão magnetizados em direções opostas [4]. frigideiras e congeladores. Por fim.2.1 Sensores magnéticos de nível de combustível Consideramos aqui duas possibilidades: sistemas de flutuação vertical. ferros de passar a vapor ou dispensers de água. que possuem uma relação 1:1000. teremos na saída do sensor uma reprodução de sinal medido numa proporção 1000 vezes menor. Um sensor de efeito Hall analógico linear pode ser usado em conjunto com um núcleo de ferrite com entreferro para a medição de corrente. a tensão gerada pelo efeito Hall é proporcional á corrente. Tais correntes são indicadas na Figura 11. como ilustra a Figura 9. Figura 12: conversão da saída em corrente de um sensor de efeito Hall [6] Em medidas de corrente com baixa amplitude de sinal.2.o sinal gerado por um sensor do nível de combustível. O sinal do dispositivo de efeito Hall é então amplificado e visualizado [5]. conforme pode ser visto na Figura 12. A Figura 8 mostra uma possível implementação que usa um ímã permanente em um flutuador e um interruptor de efeito Hall. Figura 8: Exemplo de um interruptor Hall para um sensor de indicação de nível baixo [4] Na escolha do modelo a ser utilizado. 2. 4 . Figura 11: Exemplo se sinal de entrada e de saída num sensor de corrente [6] A corrente nominal tem um papel importante na indicação do erro do sensor. Possuem uma saída em corrente determinada através de uma relação entrada e saída. As aplicações deste interruptor também incluem muitos eletrodomésticos. Em modelos. tais como máquinas de lavar roupa. Figura 9: Sensor de efeito Hall usado para a medição de corrente [5] Os sensores de corrente que utilizam o efeito Hall podem trabalhar com vários formatos de onda (faixa ampla de freqüência). possuem a capacidade de reproduzir praticamente qualquer formato de onda.2 Sensores de corrente elétrica. basear-se somente nesse parâmetro para dimensionar o sensor pode incutir em erro. utilizam um sensor de efeito Hall para detectar o campo magnético CC induzido na pinça. Os sensores de efeito Hall do tipo analógico produzem um sinal contínuo proporcional ao campo magnético detectado. pode-se aumentar a resolução da medida. deve-se observar quais são os valores de corrente de pico positivos (Ipp) e negativos (Ipn) do formato de onda presente no sinal a ser medido. A conversão da saída em corrente para uma em tensão é feita através de um resistor de amostragem (Ra). por conseguinte. conforme apresentado na Figura 13. O campo magnético através da abertura (entreferro) no núcleo de ferrite é proporcional à corrente através do fio e. temos alguns exemplos de sensores de corrente elétrica. Na Figura 10. pois os mesmos devem respeitar a faixa de medida do sensor que será utilizado. Dessa forma. máquinas de café. pois os valores Ipp e Ipn podem extrapolar os valores da faixa medida. fazendo com que o condutor da corrente seja passado mais de uma vez pela janela do sensor. por exemplo. Como os mesmos podem medir vários formatos de onda. ou adicionar um interruptor indicador de baixo nível colocado na parte inferior do tanque. Figura 10: Sensores de corrente elétrica utilizando o efeito Hall [6] Os sensores de corrente por efeito Hall realimentado podem medir correntes AC e DC numa faixa ampla de frequência. Os alicates amperímetros que podem medir tanto corrente CA quanto CC. com total isolamento galvânico. Carregadores de baterias automotivas: Excelente sensibilidade para uma vasta gama de correntes. susceptíveis a interferências eletromagnéticas externas. Algumas vantagens destes sensores: Medição de corrente contínua: Substituição com vantagem de custo-benefício os sensores semicondutores de efeito Hall e seu complexo sistema eletrônico de calibração e compensação de temperatura. Cada vez que o dente do alvo passa pelo sensor. Um exemplo desta aplicação. 2. Medição e controle de processos em indústria Maior robustez sendo indicado para ambientes agressivos. que envolve o monitoramento de velocidade de um motor. Para alguns materiais.Figura 13: Aumentando o número de voltas do condutor cuja corrente se deseja medir [6] A corrente resultante lida pelo sensor será resultado do número (n) de vezes que o condutor será passado pela janela do sensor multiplicado pelo valor da corrente (i) que passa pelo próprio condutor.3 Sensores de Velocidade Os dispositivos de efeito Hall do tipo digital são utilizados em sensores de proximidade operados magneticamente. deseja-se determinar o tipo. é ilustrado na Figura 14. Essa característica da tecnologia do efeito Hall permite que criemos sensores de velocidade que podem detectar alvos móveis arbitrariamente em velocidades baixas. Proteção de sistemas de energia em corrente contínua: Substitui o shunt resistivo de potência eliminando problemas de dissipação de calor. eles podem servir para determinar a velocidade ou o sentido de rotação do eixo ou das engrenagens ao detectar flutuações no campo magnético [5]. o pulso digital de saída produzido é de amplitude constante. 5 . Dessa forma.2.2. a concentração e a mobilidade do seu portador de cargas majoritário. Tais determinações não são possíveis a partir de uma simples medição da condutividade elétrica.4 Uso do efeito Hall para medição de mobilidade de elétrons 2. Nas aplicações industriais. Quando o sensor estiver alinhado com a abertura entre dentes. calor. elevada interferência eletromagnética e vibração sem alterar o seu funcionamento normal nem sua precisão. Pode suportar atmosferas com poeira e outros poluentes. a intensidade do campo magnético é enfraquecida. Controle de processo em galvanização: Menor custo. um experimento para o efeito Hall também deve ser conduzido [7]. o campo magnético terá sua intensidade máxima. independentemente das variações de velocidade. a velocidade do eixo pode ser determinada. umidade. Banco de baterias para alimentação de sistemas de proteção de subestações: O não emprego de shunt dispensa o uso de amplificadores de alto ganho. No-Break: Por não usar shunt existe uma perfeita isolação galvânica entre circuito primário e secundário. Por meio da medição da frequência dos impulsos. a chave Hall é ativada e um pulso digital é gerado. Figura 14: Monitoramento de velocidade usando um sensor de efeito Hall [5] O funcionamento do dispositivo é resumido a seguir [5]: Quando o sensor estiver alinhado com o dente da engrenagem de ferro. Considere a geometria de amostra na Figura 15. uma amostra com a forma de um paralelepípedo para o qual um de seus vértices está localizado na origem do sistema de coordenadas cartesianas. ocasionalmente. O sensor de efeito Hall é sensível à magnitude do fluxo e não á sua taxa de mudança. ou ainda detectar a presença ou ausência de alvos inertes. a carga de um elétron. = || Ou. uma vez que esses sensores têm vantagens em relação aos sensores comuns. esse sensor apenas se diferencia na alteração da força do campo magnético para um pólo magnético. a mobilidade do elétron. Para os metais. flip telefones celulares. A primeira opção é ótima para a detecção de posições discretas. magneto-resistivo (o efeito Hall). o custo de produção viável . Além de especificar cinco tipos de sensores os quais tem como base esse efeito. A magnitude de VH irá depender de Ix. Além disso. inevitavelmente. d. O padrão de detecção é simples.2. que pode ser de polaridade norte ou sul. Figura 15: Demonstração esquemática do efeito Hall [7] Em resposta à aplicação de um campo elétrico externo. como mostrado na Figura 16. No entanto. o valor de RH é negativo e equivale a Equação (2): = 1 (2) Onde n representa o número de elétrons livres ou de condução e pode ser determinado. Alta confiabilidade. ajustando as Equações (2) e (3). será estabelecida na direção do eixo y. À medida que o ímã se aproxima do aparelho. tem-se a Equação (4). VH. limpa pára-brisas e gás tanques. encontram dificuldades na medição do posicionamento dependendo do design do sensor [2]. e os elétrons (portadores com cargas negativas) para a face esquerda. capacitivo.observar também que a condutividade elétrica é proporcional tanto ao número de elétrons como à mobilidade eletrônica [7]. enquanto a última dá ao utilizador um número infinito de posições relativamente maiores de resolução. e a intensidade do campo diminui à medida que o ímã é removido. RH é conhecido por coeficiente de Hall. de Bz e da espessura da amostra. sempre permanecem os mesmos elementos críticos que precisam ser abordados e que. como representado na Equação (1) [7]. é conhecida. brushless dc motor de reservatórios de fluido de comutação. mecânico. entre outros. os elétrons e/ou buracos se movem na direção do eixo x e dão origem a uma corrente Ix. Assim. = (1) Nessa expressão. e óticos. o campo detectado pelo sensor aumenta. uma vez que RH pode ser medido empregando-se a Equação (1). a tensão de funcionamento larga. Sua saída pode ser digital ou analógica. A flexibilidade da tecnologia do efeito Hall na detecção é mais vantajosa. 2. que é um valor constante para um dado material. Alguns exemplos de aplicações que requerem posição discreta ou nível de detecção são: seletores de mudança. onde a condução é feita através de elétrons. e facilidade de implementação permitem que a tecnologia de efeito Hall na detecção sirva em quase todos os mercados. é a demonstrada na Equação (3). a magnitude de pode ser determinada se a condutividade elétrica σ também tiver sido medida. Pôde-se perceber a importância desse efeito para diversas aplicações. assento sensores de posição. interruptores automotivos fivela do cinto de segurança. e a magnitude de e. como está indicado na Figura 15. Em essência. a variedade de opções de saída. Dessa forma a voltagem de Hall. tamanho pequeno. Quando um campo magnético é imposto na direção positiva do eixo z (representado por Bz). a força resultante que atua sobre os portadores de cargas irá fazer com que eles sejam defletidos na direção do eixo y — os buracos (portadores com cargas positivas) para a face direita da amostra. = | | (4) (3) Figura 16: Configuração do modo ligado e curva de resposta [2] 3 CONCLUSÃO Este trabalho apresentou as características e funcionamento do efeito Hall como um todo.5 Sensores de Posição Existem uma série de meios de detecção de posição: indutivo. Podemos 6 . ebah. MG) em 2012/13. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA [1] http://www. Interesse em Sistemas Elétricos de Potência. LTC. G.com. BIOGRAFIA Bruno Moreira Nogueira Vilela. MG) em 2011/12. São Paulo: Bookman. É bolsista pelo CNPQ no projeto de pesquisa Métodos Numéricos Aplicados à Análise de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica desde 2012. São Paulo. graduando em Engenharia Elétrica pela UFJF (Juiz de Fora.pt/~ei8518/img/T_EFEITO_DE_HALL. aos colegas de sala e à Universidade Federal de Juiz de Fora pelo suporte. MG). 2013.alunos.372 p.com. [4] http://www. [3] http://www. D.AGRADECIMENTOS Ao professor Marcelo Aroca Tomim pelo incentivo ao desenvolvimento deste trabalho e pelas discussões e sugestões no decorrer do mesmo.br/artigos-2/2770sensoriamento-de-nvel-de-lquidos-usando-sensores-de-efeitohall [5] PETRUZELLA.php/comofunciona/6640-como-funcionam-os-sensores-de-efeito-hallart1050. acesso em 24/01/2014.ipb. MG) em 2012/13. Maria Rita Dias Faria. participou em projeto de pesquisa Otimização de Sistemas de Distribuição com Inserção de Usinas Eólicas UFJF (Juiz de Fora.com. graduando em Engenharia Elétrica pela UFJF (Juiz de Fora.sabereletronica. 2002. D.. pdf. As suas áreas de interesse são modelagem e simulação de Sistemas de Potência e de Distribuição. [2] PEPKA. graduanda em Engenharia Elétrica pela UFJF (Juiz de Fora.newtoncbraga. participou em projeto de pesquisa Otimização de Sistemas de Distribuição com Inserção de Usinas Eólicas UFJF (Juiz de Fora. 7 . F.. Guilherme de Oliveira Alves. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. W. “Position and level sensing using Hall-efect sensing technology”. MG). [6] http://www. acessado em 2014. 2007.br/index. 1ª edição. “Motores Elétricos e Acionamentos”. MG). 2013. participou de projeto de pesquisa Métodos Numéricos Aplicados à Análise de Sistemas de Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica pela UFJF (Juiz de Fora.. As suas áreas de interesse são simulação e modelagem de Sistemas de Potência e Planejamento Energético.br/content/ABAAABSYwAH/ sensoreamento-corrente [7] CALLISTER. 5ed.