Sensores de efeito Hall e suas aplicações

SENSORES DE EFEITO HALL E SUAS APLICAÇÕES Bruno Moreira Nogueira Vilela*  [email protected]  [email protected]

Guilherme de Oliveira Alves* [email protected]

Maria Rita Dias Faria* [email protected]

Universidade Federal de Juiz de Fora* Faculdade de Engenharia Departamento de Energia Materiais Elétricos ENE040

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.

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

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 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. 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

2.1.2

Figura 1: Condutor percorrido por corrente elétrica [3]

 Na presença de um campo magnético perpendicular, o fluxo de corrente é distorcido, como pode ser visto na Figura 2. A distribuição resultante provoca o aparecimento de uma diferença de potencial (DDP), entre os terminais de saída. Esta DDP é chamada de Tensão de Hall (V  H ).

Efeito de Hall - Variações com temperatura

Hall realizou as suas experiências em temperatura ambiente com campos magnéticos de aproximadamente 1 tesla (T). No final dos anos 70, houve pesquisadores que usaram temperaturas extremamente baixas, cerca de -272 °C e campos magnéticos muito potentes, aproximadamente 30 T. Eles estudaram o efeito Hall num tipo de semicondutor usado na indústria eletrônica para a fabricação de transistores de pouco ruído. O material contém elétrons que, embora estejam retidos  perto da superfície interna, separando duas partes distintas do material, são altamente móveis ao longo da superfície.  Nesta camada, a baixas temperaturas, os elétrons podem ser usados para se moverem como se estivessem numa superfície  plana, ou seja, apenas em duas dimensões. Esta limitação geométrica leva a efeitos inesperados; um deles é que o efeito Hall muda de caráter. Isto pode ser visto mais simplesmente quando se mede como a resistência de Hall varia com o comprimento do campo magnético aplicado. 2.1.3

Diversas aplicações de efeito de Hall

Existe uma série de aplicações desse efeito para funções de sensoriamento, bem como outras formas de medição. Algumas delas estão descritas abaixo [3].      

Figura 2: Distorção do fluxo de corrente devido à presença de campo magnético [3]

A tensão de Hall é um sinal bastante frágil, da ordem de 20 a 30 mV, num campo magnético de 1 gauss. Um sinal desta magnitude requer um amplificador com característica de alta impedância de entrada, baixo ruído e um ganho considerável.  Na Figura 3 é mostrada uma curva que caracteriza qualitativamente o comportamento do sensor de efeito Hall. Para valores de campo magnético além do alcance especificado, a resposta obtida deixará de ser linear, comprometendo assim a exatidão da medida sem causar danos ao transdutor.

    

Sensores de nível de líquidos; Sensores de corrente elétrica; Sensores de posição; Sensores de tensão; Aplicações de medição magnéticas; Detector de metais ferro magnéticos; Sensores de proximidade; Sensores de temperaturas; Detector de posição de válvulas de pressão de ar; Potenciômetros; Amperímetros.

2.2 Tipos de sensores Esse subcapítulo expõe sensores que têm como função base a utilização do efeito Hall. Bem como as suas aplicações. 2.2.1

Sensores de nível líquido

Os sensores de nível de líquidos são usados em diferentes aplicações com diferentes requisitos [4]. Aplicações automotivas: carros, caminhões e motocicletas são equipados com um sensor de combustível para medir a quantidade de gasolina, álcool ou diesel que resta dentro do tanque.

Figura 3: Comportamento do sensor de efeito [3] 2

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, transporte e armazenamento de água, na indústria  petroquímica para monitorar petróleo e seus derivados líquidos, na agricultura e setor de nutrição humana e animal para monitorar dosagens e o nível de fertilizantes líquidos. Na indústria de consumo e eletrodomésticos existem aplicações onde é necessário controlar e mostrar informações de nível de líquidos como, por exemplo: máquinas de café automáticas,

dispenser   de

água, espremedores de frutas, evaporadores de água, vaporizadores, frigideiras e congeladores, caldeiras, sistemas de aquecimento, lavadoras de pratos, ferros de passar a vapor, etc.

2.2.1.1 Sensores magnéticos de nível de combustível

Dependendo da necessidade, sinal contínuo ou discreto,  podemos utilizar neste projeto tanto sensores Hall linear ou chaves interruptoras Hall. A Figura 6 exibe as duas  possibilidades de implementação usando uma fileira de sensores Hall que se utiliza de dois pequenos ímãs, os quais estão magnetizados em direções opostas [4].

Consideramos aqui duas possibilidades: sistemas de flutuação vertical, bem como os sistemas de braço e alavanca. Por fim, mostraremos soluções de chave única para indicação de tanque cheio e tanque vazio [4]. É um sensor de nível de combustível sem contato com o líquido baseado em um princípio magnético. Os circuitos magnéticos mostrados na Figura 4 podem ser utilizados para uma simples implementação prática.

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]

Através da escolha certa da distância e do tamanho dos ímãs, o componente horizontal do campo magnético acaba por ser linear em uma considerável faixa de operação como podemos ver na Figura 7.

 No primeiro exemplo, o sensor Hall linear é posicionado no centro de um ímã em um anel magnetizado diametralmente, em volta do ímã temos outro anel feito de uma liga leve de ferro que será usado para orientar o fluxo magnético. Esta implementação tem a seguinte vantagem: o campo magnético dentro do anel é bem homogêneo, assim, mesmo pequenos  problemas de variações mecânicas, não significam grandes desvios no sinal de saída. Adicionalmente o sensor é protegido  pela liga leve de ferro, o que traz uma melhor segurança contra distúrbios externos. Na Figura 5, podem-se observar exemplos de sensores Hall lineares:

Figura 7: Possíveis sinais de saída de uma fileira de sensores Hall lineares [4]

Figura 5: Três diferentes modelos de sensores Hall lineares [4]

Outra alternativa, no segundo exemplo visto na Figura 5, é um circuito magnético mais simples que usa apenas duas placas magnéticas. Esta solução oferece um razoável grau de precisão e que, ao mesmo tempo, reduz os custos dos materiais utilizados. Este circuito é um pouco menos robusto contra desalinhamentos mecânicos, mas é suficiente para diferentes aplicações de medição de nível de combustíveis. Outra possível implementação dos sensores de nível de combustível seria o uso de uma bóia de movimento vertical.

As distâncias entre os sensores Hall lineares devem ser escolhidas de tal forma que haja sempre um sensor em sua faixa linear. Dependendo do sinal de saída dos sensores, é  possível então escolher qual saída deve ser utilizada. Agora, se é necessário saber apenas um sinal discreto do nível do líquido, então os sensores Hall Switches consistem numa opção mais  barata e mais simples. Como vimos na Figura 6, mostramos esta implementação onde é usada uma fileira de sensores Hall Switches. Diferentemente dos sensores lineares, a solução com interruptores Hall necessita apenas de um ímã. 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].

2.2.1.2 Chave de indicação de nível baixo Em alguns casos é necessário emitir um sinal de alerta para indicação de baixos níveis de líquidos. Para tanto, pode-se usar 3

o sinal gerado por um sensor do nível de combustível, ou adicionar um interruptor indicador de baixo nível colocado na  parte inferior do tanque. A Figura 8 mostra uma possível implementação que usa um ímã permanente em um flutuador e um interruptor de efeito Hall. As aplicações deste interruptor também incluem muitos eletrodomésticos, tais como máquinas de lavar roupa, máquinas de café, ferros de passar a vapor ou dispensers de água. 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. Dessa forma, possuem a capacidade de reproduzir praticamente qualquer formato de onda. Possuem uma saída em corrente determinada através de uma relação entrada e saída. Em modelos, por exemplo, que possuem uma relação 1:1000, teremos na saída do sensor uma reprodução de sinal medido numa proporção 1000 vezes menor. Figura 8: Exemplo de um interruptor Hall para um sensor de indicação de nível baixo [4]

2.2.2

Sensores de corrente elétrica.

Os sensores de efeito Hall do tipo analógico produzem um sinal contínuo proporcional ao campo magnético detectado. Um sensor de efeito Hall analógico linear pode ser usado em conjunto com um núcleo de ferrite com entreferro para a medição de corrente, como ilustra a Figura 9. O campo magnético através da abertura (entreferro) no núcleo de ferrite é proporcional à corrente através do fio e, por conseguinte, a tensão gerada pelo efeito Hall é proporcional á corrente. Os alicates amperímetros que podem medir tanto corrente CA quanto CC, com total isolamento galvânico, utilizam um sensor de efeito Hall para detectar o campo magnético CC induzido na  pinça. O sinal do dispositivo de efeito Hall é então amplificado e visualizado [5].

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). Na Figura 10, temos alguns exemplos de sensores de corrente elétrica.

4

 Na escolha do modelo a ser utilizado, 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, pois os mesmos devem respeitar a faixa de medida do sensor que será utilizado. Tais correntes são indicadas na Figura 11.

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. Como os mesmos podem medir vários formatos de onda, basear-se somente nesse parâmetro para dimensionar o sensor pode incutir em erro, pois os valores  Ipp e  Ipn podem extrapolar os valores da faixa medida. A conversão da saída em corrente para uma em tensão é feita através de um resistor de amostragem ( Ra), conforme pode ser visto na Figura 12.

Figura 12: conversão da saída em corrente de um sensor de efeito Hall [6]

Em medidas de corrente com baixa amplitude de sinal, pode-se aumentar a resolução da medida, fazendo com que o condutor da corrente seja passado mais de uma vez pela janela do sensor, conforme apresentado na Figura 13.

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. Algumas vantagens destes sensores: 









 



2.2.3

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. Proteção de sistemas de energia em corrente contínua: Substitui o shunt resistivo de potência eliminando  problemas de dissipação de calor. Banco de baterias para alimentação de sistemas de  proteção de subestações: O não emprego de shunt dispensa o uso de amplificadores de alto ganho, susceptíveis a interferências eletromagnéticas externas.  No-Break: Por não usar shunt existe uma perfeita isolação galvânica entre circuito primário e secundário. Carregadores de baterias automotivas: Excelente sensibilidade para uma vasta gama de correntes. Medição e controle de processos em indústria Maior robustez sendo indicado para ambientes agressivos. Pode suportar atmosferas com poeira e outros poluentes, calor, umidade, elevada interferência eletromagnética e vibração sem alterar o seu funcionamento normal nem sua precisão. Controle de processo em galvanização: Menor custo.

Sensores de Velocidade

Os dispositivos de efeito Hall do tipo digital são utilizados em sensores de proximidade operados magneticamente. Nas aplicações industriais, eles podem servir para determinar a velocidade ou o sentido de rotação do eixo ou das engrenagens ao detectar flutuações no campo magnético [5]. Um exemplo desta aplicação, que envolve o monitoramento de velocidade de um motor, é ilustrado na Figura 14.

Figura 14: Monitoramento de velocidade usando um sensor de efeito Hall [5]

O funcionamento do dispositivo é resumido a seguir [5]: 











2.2.4

Quando o sensor estiver alinhado com o dente da engrenagem de ferro, o campo magnético terá sua intensidade máxima. Quando o sensor estiver alinhado com a abertura entre dentes, a intensidade do campo magnético é enfraquecida; Cada vez que o dente do alvo passa pelo sensor, a chave Hall é ativada e um pulso digital é gerado; Por meio da medição da frequência dos impulsos, a velocidade do eixo pode ser determinada; O sensor de efeito Hall é sensível à magnitude do fluxo e não á sua taxa de mudança. Dessa forma, o  pulso digital de saída produzido é de amplitude constante, independentemente das variações de velocidade; Essa característica da tecnologia do efeito Hall  permite que criemos sensores de velocidade que  podem detectar alvos móveis arbitrariamente em velocidades baixas, ou ainda detectar a presença ou ausência de alvos inertes.

Uso do efeito Hall para medição de mobilidade de elétrons

Para alguns materiais, ocasionalmente, deseja-se determinar o tipo, 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; um experimento para o efeito Hall também deve ser conduzido [7]. 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.

5

observar também que a condutividade elétrica é proporcional tanto ao número de elétrons como à mobilidade eletrônica [7]. 2.2.5

Sensores de Posição

Existem uma série de meios de detecção de posição: indutivo, capacitivo, mecânico, magneto-resistivo (o efeito Hall), e óticos. No entanto, sempre permanecem os mesmos elementos críticos que precisam ser abordados e que, inevitavelmente, encontram dificuldades na medição do posicionamento dependendo do design do sensor [2]. A flexibilidade da tecnologia do efeito Hall na detecção é mais vantajosa. Alta confiabilidade, tamanho pequeno, o custo de  produção viável , a tensão de funcionamento larga, a variedade de opções de saída, e facilidade de implementação permitem que a tecnologia de efeito Hall na detecção sirva em quase todos os mercados. Sua saída pode ser digital ou analógica. A primeira opção é ótima para a detecção de posições discretas, enquanto a última dá ao utilizador um número infinito de posições relativamente maiores de resolução. Figura 15: Demonstração esquemática do efeito Hall [7]

Em resposta à aplicação de um campo elétrico externo, os elétrons e/ou buracos se movem na direção do eixo  x  e dão origem a uma corrente  I  x. Quando um campo magnético é imposto na direção positiva do eixo  z   (representado por  B z ), 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, e os elétrons (portadores com cargas negativas) para a face esquerda, como está indicado na Figura 15. Dessa forma a voltagem de Hall, V  H , será estabelecida na direção do eixo y. A magnitude de V  H  irá depender de  I  x, de  B z   e da espessura da amostra, d , como representado na Equação (1) [7].

 =

   

Alguns exemplos de aplicações que requerem posição discreta ou nível de detecção são: seletores de mudança, interruptores automotivos fivela do cinto de segurança, assento sensores de posição, flip telefones celulares, brushless dc motor de reservatórios de fluido de comutação, limpa pára-brisas e gás tanques, entre outros. Em essência, esse sensor apenas se diferencia na alteração da força do campo magnético para um pólo magnético, que pode ser de polaridade norte ou sul. O padrão de detecção é simples. À medida que o ímã se aproxima do aparelho, o campo detectado pelo sensor aumenta, e a intensidade do campo diminui à medida que o ímã é removido, como mostrado na Figura 16.

(1)

 Nessa expressão, R H  é conhecido por coeficiente de Hall, que é um valor constante para um dado material. Para os metais, onde a condução é feita através de elétrons, 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, uma vez que  R H   pode ser medido empregando-se a Equação (1), e a magnitude de e, a carga de um elétron, é conhecida. Além disso, a mobilidade do elétron,   é a demonstrada na Equação (3).  =



(3)

||

Ou, ajustando as Equações (2) e (3), tem-se a Equação (4).  = | |

(4)

Assim, a magnitude de    pode ser determinada se a condutividade elétrica σ   também tiver sido medida. Podemos 6

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. Além de especificar cinco tipos de sensores os quais tem como base esse efeito. Pôde-se perceber a importância desse efeito para diversas aplicações, uma vez que esses sensores têm vantagens em relação aos sensores comuns.

AGRADECIMENTOS Ao professor Marcelo Aroca Tomim pelo incentivo ao desenvolvimento deste trabalho e pelas discussões e sugestões no decorrer do mesmo, aos colegas de sala e à Universidade Federal de Juiz de Fora pelo suporte.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA [1] http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/comofunciona/6640-como-funcionam-os-sensores-de-efeito-hallart1050, acessado em 2014. [2] PEPKA, G.; “Position and level sensing using Hall -efect  sensing technology”, 2007. [3] http://www.alunos.ipb.pt/~ei8518/img/T_EFEITO_DE_HALL.  pdf, acesso em 24/01/2014. [4] http://www.sabereletronica.com.br/artigos-2/2770sensoriamento-de-nvel-de-lquidos-usando-sensores-de-efeitohall [5] PETRUZELLA, F. D.; “ Motores Elétricos e  Acionamentos”. 1ª edição. São Paulo: Bookman, 2013.372 p., 2013. [6] http://www.ebah.com.br/content/ABAAABSYwAH/ sensoreamento-corrente [7] CALLISTER, W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5ed. LTC, São Paulo, 2002.

BIOGRAFIA Bruno Moreira Nogueira Vilela,

graduando em Engenharia Elétrica pela UFJF (Juiz de Fora, MG), participou em projeto de pesquisa Otimização de Sistemas de Distribuição com Inserção de Usinas Eólicas UFJF (Juiz de Fora, MG) em 2012/13. As suas áreas de interesse são simulação e modelagem de Sistemas de Potência e Planejamento Energético. Guilherme de Oliveira Alves,

graduando em Engenharia Elétrica pela UFJF (Juiz de Fora, MG), participou de projeto de  pesquisa Métodos Numéricos Aplicados à Análise de Sistemas de Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica pela UFJF (Juiz de Fora, MG) em 2011/12. É bolsista pelo CNPQ no  projeto de pesquisa Métodos Numéricos Aplicados à Análise de Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica desde 2012. As suas áreas de interesse são modelagem e simulação de Sistemas de Potência e de Distribuição. Maria Rita Dias Faria, graduanda em Engenharia Elétrica  pela UFJF (Juiz de Fora, MG), participou em projeto de  pesquisa Otimização de Sistemas de Distribuição com Inserção de Usinas Eólicas UFJF (Juiz de Fora, MG) em 2012/13. Interesse em Sistemas Elétricos de Potência.

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