Um Sensor de efeito Hall é um transdutor que, quando sob a aplicação de um campo magnético, responde com uma variação em sua tensão de saída.
Princípio de funcionamento commoldura|Um semicondutor sob a aplicação de um campo magnético, demonstrando o Efeito Hall. Se uma diferença de potencial é aplicada a um material semicondutor de modo que flua uma corrente, e ao mesmo tempo o este material é submetido a um campo magnético, no deslocamento através deles as cargas tendem a se desviar de sua trajetória normal, acumulando-se numa das faces laterais, e com isso uma tensão será detectada.|426x426px Os sensores de campos magnéticos são dispositivos muito utilizados e presentes em nosso dia-a-dia e que possuem diversas aplicações, desde aparelhos de consumo até máquinas industriais. Uma das maneiras mais elementares de se fazer o sensoriamento de campo magnético é por meio de uma bobina. Existem, contudo, dispositivos semicondutores próprios para a detecção de campos magnéticos, como é o caso do Sensor Hall.
O Sensor Hall tem seu princípio de funcionamento baseado no Efeito Hall, descoberto em 1879, por Edwin Hall. O efeito Hall é uma propriedade que se manifesta em um condutor quando um campo magnético perpendicular ao fluxo de corrente é aplicado sobre ele. Quando isso ocorre, uma diferença de potencial no condutor é gerada, chamada de Tensão de Hall. Esta tensão possui direção perpendicular ao campo magnético e à corrente, e é proporcional à densidade de fluxo magnético e à corrente. O campo magnético aplicado provoca um gradiente de concentração de portadores em todo o condutor. Quando o número de portadores de um lado do condutor for maior do que do outro, então surgirá esta diferença de potencial. A amplitude da tensão de Hall varia com a corrente e o campo magnético.
Em resumo, o Efeito Hall é o que ocorre quando uma corrente num condutor tem sua trajetória desviada pela ação de um campo magnético. Com um formato apropriado, este desvio faz com que a Tensão de Hall seja gerada, e esta pode ser aproveitada por um circuito externo, e é o que sensores Hall fazem. A tensão de Hall pode ser medida por um circuito externo ou ainda ser utilizada para efeitos de sensoriamento, pois ela é proporcional à intensidade do campo que cria.
O Efeito Hall é um efeito observado em todos os materiais. Contudo, sua aplicação é eficaz somente em materiais onde a mobilidade eletrônica seja relativamente alta. Desse modo, as aplicações práticas do Efeito Hall só se tornam possíveis com o desenvolvimento de tecnologias em materiais semicondutores.
Dispositivo Semicondutor Sensores que utilizam Efeito Hall são tipicamente construídos de materiais semicondutores, permitindo que a eletrônica seja desenvolvida no mesmo material. Para tal podem ser utilizados materiais semicondutores tipo p ou tipo n. Quando o sistema possuí uma alta mobilidade de carga, a Constante Hall terá um valor relativamente grande, permitindo que se obtenha melhores valores de saída. Para que se tenha uma razão sinal/ruído (SNR) alta, é necessário que a resistividade do material seja baixa, limitando, assim, a diferença de potencial gerada por ruído térmico. Estas condições são otimizadas ao se utilizar um semicondutor tipo n.
Podemos encontrar comercialmente sensores de Efeito Hall tanto na sua forma simples como em configuração em ponte. Uma das vantagens da utilização da configuração em ponte é que ela permite realizar a detecção de variações do campo em ambos os sentidos, simplificado o projeto de circuitos detectores.
Os sensores de efeito Hall podem ainda ser encontrados com saída Analógico/Linear ou digital.
O Sensor Analógico/Linear O sinal de saída dos sensores analógicos (lineares) é gerado diretamente a partir da saída do amplificador operacional com a tensão de saída sendo diretamente proporcional ao campo magnético que passa pelo sensor Hall.
Os sensores lineares analógicos fornecem uma tensão de saída que aumenta com um campo magnético forte e diminui com um campo magnético fraco. Em sensores de efeito Hall de saída linear, a medida que a força do campo magnético aumenta, o sinal de saída do amplificador também irá aumentar até que ele comece a saturar devido ao limites impostos pela fonte de alimentação. Qualquer aumento adicional no campo magnético não terá qualquer efeito sobre a saída, mas irá dirigi-lo mais rápido para a saturação.
De modo geral, a maioria dos sensores lineares Hall são do tipo "relaciométrico" (ratiometric) ou seja, existe uma tensão de saída quiescente, normalmente metade da tensão de alimentação e esta tensão varia para mais ou menos em relação a este valor, conforme o campo magnético de saída. centro|thumb|Característica de um sensor Hall relaciométrico comum. A sensibilidade é dependente da tensão de alimentação, assim, se houver um aumento da tensão de alimentação, muda a tensão quiescente e as variações em torno deste valor passam a ter uma amplitude maior para uma mesma variação da intensidade do campo.|400x400px
O Sensor Digital Sensores de saída digital, por outro lado, têm um Disparador Schmitt construído em histerese e ligado ao amplificador operacional. Quando o fluxo magnético que passa através do sensor Hall excede um valor pré-definido, a saída do dispositivo muda rapidamente de sua condição "DESLIGADA" para a uma condição "LIGADA" sem qualquer tipo de rejeição de contato. Esta histerese embutida elimina qualquer oscilação do sinal de saída enquanto o sensor se move para dentro e fora do campo magnético. Assim, os sensores de saída digital tem apenas dois estados, "LIGADO" e "DESLIGADO".
Existem alguns parâmetros destes sensores que são importantes para a compreensão de seu funcionamento, são eles: Bop: Ponto de operação magnético; é o nível de campo magnético a partir do qual um dispositivo Hall liga. O estado resultante do dispositivo depende do design individual do dispositivo eletrônico. Brp: Ponto de liberação magnética; é o nível de campo magnético a partir do qual um dispositivo Hall desliga (ou para alguns dispositivos Hall, o nível crescente de campo negativo dado um positivo Bop). O estado resultante da saída do dispositivo depende do design individual do dispositivo eletrônico. Bhys: Histerese magnética. A função de transferência de um dispositivo Hall é desenhado com este offset entre os pontos de chaveamento para filtrar pequenas flutuações no campo magnético que poderiam resultar de vibrações mecânicas ou ruído eletromagnético na aplicação. BHYS = | BOP − BRP |. Podemos encontrar quatro tipos de sensores Hall Digitais, são eles:
Unipolar Esse tipo de sensor opera em um campo magnético positivo, ou seja, o sensor só irá conduzir quando o polo positivo de um ímã de aproximar dele. Enquanto o ímã estiver próximo do sensor, ele continuará conduzindo. A condução só é cessada quando o ímã é afastado.
Bipolar Este tipo de sensor opera sob qualquer tipo de campo magnético, mantendo sua saída acionada na presença de um pólo sul magnético, sendo desligado apenas na presença de um pólo norte magnético. Ele é usado em aplicações onde os pólos sul e norte de ímãs se encontram muito próximos, como em um anel de ímãs em motores.
Omnipolar Este tipo de sensor, assim como o Bipolar, é capaz de detectar qualquer tipo de campo magnético, contudo o seu princípio de operação é muito parecido ao Unipolar, desse modo, o sensor Omnipolar só opera sob a presença de um ímã. Esse tipo de sensor simplifica a montagem de um projeto, uma vez que não é necessário conhecer o pólo do ímã que ficará voltado para o sensor.
Chave de efeito Hall omnipolar. O gráfico é parecido com o sensor unipolar, porém agora existe o lado negativo do gráfico. A linha vermelha apresenta um campo magnético crescente, que quando atinge o Brp do pólo magnético norte, desaciona o sensor. Este volta a ser acionado quando o Bop de pólo sul magnético é atingido. O mesmo pode ser obtido em sentido contrário. |448x448px]]
Latch de Efeito Hall Este sensor tem sua entrada acionada na presença de um ímã e a mantém acionada até que o ímã se aproxima novamente do sensor.
Interfaceamento e Principais Características thumb|131x131px|Símbolo utilizado para representar o Sensor de Efeito Hall em um circuito. Usando configurações apropriadas de materiais, em conjuntos de placas, a tensão gerada pelo Efeito Hall pode ser multiplicada e, ao fazer isso, elaboram-se dispositivos sensores de campos magnéticos sensíveis e rápidos, com é o caso do Sensor Hall.
A grande vantagem do uso dos sensores de Efeito Hall é que eles podem ser fabricados com o próprio material usado na fabricação dos circuitos integradas. Isso significa a possibilidade de integrar circuitos amplificados e até mesmo conversores analógicos-digitais que permitem interfacear diretamente o sensor com microprocessadores e microcontroladores, tudo isso no próprio chip do sensor.
A seguir são listadas as principais vantagens que caracterizam o Sensor de Efeito Hall: Pode ser utilizado como chave Opera em frequências de até 100kHz Custa menos que outras chaves mecânicas Não tem as medias prejudicadas devido ao "desprendimento" de algum contato, pois utilizam-se uma sequencia de contatos em paralelo, ao invés de um único contato Não é afetado por impurezas, possibilitando que seja utilizado em condições extremas Pode ser utilizado como sensor de posição, deslocamento e proximidade. 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. Os dispositivos de efeito Hall, contudo, possuem unidade de saída com capacidades muito baixas, da ordem de 10 a 20 mA. Desse modo, eles não não podem passar diretamente uma grande quantidade de carga elétrica. Para correntes mais altas, é necessário adicionar um transistor NPN de coletor aberto (com drenagem de corrente) à saída do sensor.
Circuito
Geralmente, um sensor de efeito Hall possui três pinos: VCC (alimentação), GND (terra) e VOUT (saída). A saída geralmente é do tipo coletor-aberto, e precisa de um resistor de pull-up, tendo uma resistência entre 1 e 10 kΩ. O valor mínimo de resistência no circuito é função da corrente máxima de saída do sensor, isto significa que, para uma corrente máxima de 20mA e uma tensão de 5V, tem-se uma resistência mínima de 250Ω.
Em aplicações onde o consumo é prioridade, pode-se elevar o valor de resistência. No entanto deve-se observar que isto poderá induzir correntes de fuga para o terra, que ocorrem no condutor entre o resistor de pull-up e a saída do sensor. Estas correntes poderiam ser altas o suficiente para diminuir o valor de saída do sinal do sensor.
Capacitores de filtro É recomendado o uso de capacitores de 0,01µF para circuitos sem estabilização chopper, e 0,1µF para circuitos com este tipo de estabilização.
Tempo de inicialização Os sensores de efeito Hall levam menos de 1µs para inicializar sem estabilização chopper, enquanto que levam até 25µs quando são empregados com este tipo de estabilização.
Principais formas de uso Instituto Newton C, Braga. Como funcionam os sensores de Efeito Hall (ART1050) A forma do sinal que é obtido da saída de um Sensor de Efeito Hall é determinado pelo posicionamento do sensor em relação ao campo magnético. Desse modo, existem diversas configurações relativas ao posicionamento do sensor em relação ao campo que podem ser utilizadas pelo projetista e/ou engenheiro ao planejar o circuito detector e os dispositivos em que o sensor será instalado.
Aproximação simples Neste método o sensor e o ímã que gera o campo magnético se aproximam perpendicularmente. Neste caso, quanto menor for as distâncias, maior será a ação sobre o chip. Este arranjo pode ser aplicado em uma chave de fim de curso ou ainda para se medir a velocidade de aproximação ou afastamento de uma peça.