Sensores de Efeito Hall: Princípio de Funcionamento, 5 Aplicações Importantes

Conteúdo:

• Introdução
• Sensores magnéticos
• Sensores de efeito Hall
• Qual é a tensão Hall (V_H)?
• Coeficiente Hall (R_H)
• Construção de sensores de efeito Hall
• Símbolo do sensor de efeito Hall
• Princípio de funcionamento dos sensores de efeito Hall
• Experiência de efeito Hall
• Analógico e Digital Sensor Hall Effect
• Tipo de sensores de efeito Hall
• Aplicações de sensores de efeito Hall

Sensores magnéticos

Sensores magnéticos são dispositivos capazes de detectar e analisar campos magnéticos gerados por ímã ou atual. Eles podem ser usados ​​para diferentes tipos de aplicações, como para detectar a mudança na posição e ângulo de um campo magnético, para detectar a mudança na força ou na direção do campo magnético aplicado, etc.

Existem vários tipos de sensores magnéticos, como sensor de efeito Hall (interruptores Hall, sensores lineares Hall, etc.) usados ​​para detectar uma mudança na força do campo magnético, sensor magneto resistivo usado para detectar uma mudança na direção do campo magnético , sensores de ângulo usados ​​para detectar uma mudança no ângulo de um campo magnético, sensores 3D Hall e também sensores de velocidade magnéticos. Os sensores de efeito Hall são empregados em uma ampla gama de aplicações, como sensor de proximidade, medição de posição e velocidade, etc. Eles são usados ​​até mesmo em impressoras de computador, cilindros pneumáticos, teclados de computador, etc.

Sensores magnéticos são geralmente um dispositivo de estado sólido que está em alta demanda hoje em dia devido à sua alta precisão e exatidão, operação sem contato, custo de manutenção comparativamente baixo, design compacto, etc. Hoje em dia, sensores magnéticos sem núcleo dedicados a diferentes tipos de aplicações industriais estão disponíveis, por exemplo, dispositivos selados de efeito Hall são à prova d'água e são feitos de forma a resistir a qualquer vibração.

Sensores magnéticos são amplamente utilizados em sistemas automotivos, especialmente para analisar a posição dos assentos de automóveis, cintos de segurança e para controlar o sistema de air-bag e também para detecção da velocidade de rotação das rodas para o sistema de frenagem antibloqueio (ABS).

Sensores de efeito Hall

Os sensores de efeito Hall são sensores magnéticos cuja saída depende do campo magnético ou da densidade do fluxo magnético ao redor do sensor magnético.

• A palavra “Hall” veio de Dr. Edwin Hall, que descobriu este Efeito Hall pela primeira vez.
• Se houver um campo magnético externo vertical ao objeto pelo qual a corrente está passando, uma força eletromotriz será gerada na direção perpendicular ao campo magnético e à corrente.

Qual é a tensão Hall (V_H)?

Se um campo magnético externo for aplicado no sensor magnético, ele será ativado. A tensão de saída do sensor de efeito Hall é proporcional à intensidade do campo magnético aplicado ao passar. Depois que um determinado limite de densidade de fluxo magnético é excedido pelo campo externo, uma tensão de saída é gerada, que é comumente conhecida como Tensão Hall (V_H).

Coeficiente Hall (R_H)

A quantidade da diferença de potencial por unidade de espessura da faixa de metal no Efeito Hall distribuída pelo produto da intensidade magnética e a densidade de corrente longitudinal.

As unidades do coeficiente Hall R_H são geralmente transmitidos como m³/ C ou Ω · cm / G.

Construção de sensores de efeito Hall:

Projeto do sensor Hall

Os sensores de efeito Hall geralmente consistem em uma peça retangular de semicondutor, como o índio antimonita (InSb) ou arsenieto de gálio (GaAs) conhecido como uma sonda Hall montada em um placa de alumínio e totalmente coberta dentro da cabeça da sonda. Um cabo da sonda feito de um material não magnético é conectado com a cabeça da sonda de modo que o plano da placa retangular do semicondutor seja perpendicular ao cabo da sonda.

Quando o dispositivo é ativado, um fluxo contínuo de corrente ocorre através do semicondutor. Se as linhas do campo magnético externo estiverem em ângulos retos com a cabeça da sonda, de modo que as linhas preenchidas estejam passando pelos ângulos retos através do sensor da sonda, origina-se uma voltagem conhecida como voltagem de "efeito Hall" e o dispositivo fornece uma leitura da densidade do fluxo magnético (B) do campo externo.

Símbolo do sensor de efeito Hall:

O que é o transdutor de efeito Hall?

Princípio de funcionamento dos sensores de efeito Hall

• O sensor de Efeito Hall funciona principalmente devido ao efeito da Força de Lorentz (é a força experimentada por uma partícula carregada devido a um campo elétrico ou magnético, ou seja, simplesmente um eletromagnético campo).

• Na presença de um campo magnético externo existente de magnitude suficiente, os elétrons na placa semicondutora são desviados em direção a uma das bordas da placa, ou seja, os buracos e os elétrons se deslocam para qualquer lado da placa devido à força de Lorentz agindo sobre eles.

• Para isso, um lado do semicondutor tem carga negativa e o lado oposto acaba tendo carga positiva. Isso produz um gradiente de voltagem nos dois lados opostos da placa retangular devido ao acúmulo de cargas opostas nesses dois lados. Esta tensão é conhecida como tensão Hall (V_H), e o efeito de gerar essa tensão Hall mensurável usando um campo magnético externo é conhecido como Efeito Hall.

• Para gerar uma diferença de potencial tal que uma tensão mensurável seja produzida, as linhas do campo magnético externo devem estar em um ângulo reto em relação ao plano onde a corrente flui através da placa. Além disso, uma polaridade correta deve ser fornecida para os sensores de efeito Hall funcionarem.

• À medida que os elétrons e os buracos se separam, um gradiente de potencial é gerado e a separação aumenta até que a força devida ao campo elétrico equilibra a força produzida pelo campo magnético. Quando ambas as forças se equilibram, a corrente não está mudando e a tensão Hall que é detectada neste ponto e a partir dessa densidade de fluxo magnético (B) foi calculada.                       

• Se a tensão de saída depende linearmente da densidade do fluxo magnético, então a chamamos de sensores de efeito Hall linear, e se houver uma diminuição acentuada da tensão de saída em diferentes densidades de fluxo magnético, então é chamado de sensor de efeito Hall de limiar.

• Já ouvimos falar de sensores indutivos que respondem a um campo magnético variável, pois induz uma corrente em uma bobina de fio e, portanto, gera uma tensão em sua saída. Portanto, os sensores indutivos podem detectar apenas campos magnéticos estáticos (sem mudança), enquanto os sensores de efeito Hall podem detectar campos magnéticos variáveis ​​e não mutáveis.

• O sensor de efeito Hall pode fornecer informações sobre o tipo de pólo magnético usado para gerar a tensão e também a magnitude da densidade do fluxo magnético externo (B). Usando um grupo de sensores, podemos encontrar a posição relativa do ímã externo usado.

• A tensão de saída do sensor de efeito Hall é geralmente de uma magnitude bem pequena, como alguns micro-volts, mesmo quando um forte campo magnético externo é aplicado ao sensor. Conseqüentemente, a maioria dos sensores de efeito Hall disponíveis comercialmente são construídos com um amplificador CC integrado e reguladores de tensão para melhorar a sensibilidade do sensor e a magnitude da tensão de saída.

Experiência de efeito Hall

Sensor de efeito Hall analógico e digital

A saída do sensor de efeito Hall pode ser linear (analógica) ou digital. A saída do sensor linear de efeito Hall é diretamente proporcional ao campo magnético externo, ou seja, a densidade do fluxo magnético que passa pelo sensor e a saída é obtida da saída do OP-AMP diferencial. Sensores lineares de efeito Hall (analógicos) têm uma saída de tensão contínua que muda conforme a intensidade das mudanças do campo magnético externo.

Fórmula do sensor de efeitos Hall:

A saída do sensor linear de efeito Hall pode ser expressa como:

Onde,

• V_H é a tensão Hall
• R_H é o coeficiente de efeito Hall
• I é a corrente fluindo através do sensor (placa de semicondutor)
• t é a espessura do sensor
• B é a densidade do fluxo magnético externo

No caso do sensor digital de efeito Hall a saída do sensor digital é retirada da saída do OPAMP, que por sua vez é conectado com um Schmitt-trigger com built-in histerese que reduz as oscilações na tensão de saída. Neste caso, somente quando a intensidade do campo externo for superior a um valor específico no dispositivo, o dispositivo muda para a condição LIGADO da condição DESLIGADO.

Tipo de sensores de efeito Hall:

Dependendo do tipo de pólo magnético externo necessário para operar, os sensores de efeito Hall são de dois tipos.

1. Bipolar
2. Unipolar

As duas configurações de detecção mais comuns em um sensor de efeito Hall usando um único ímã são a detecção frontal e a detecção lateral. Na detecção lateral, é necessário mover o ímã em um movimento lateral na frente da face do elemento de efeito Hall. Enquanto na detecção direta, o ímã se move em direção e para longe do elemento hall de uma maneira perpendicular ao plano do elemento.

Aplicações de sensores de efeito Hall:

• Sensor de posição: Ao operar no modo liga/desliga, ou seja, possuindo uma saída digital, detectando a ocorrência de materiais é uma das importantes aplicações industriais dos sensores de efeito Hall.
• Transformadores DC: O sensor de efeito Hall é usado para medir o fluxo magnético DC e, como resultado, a corrente DC pode ser calculada.
• Chave de teclado: Para alguns teclados de computador, interruptores de efeito Hall estão sendo usados. Mas, devido ao seu custo comparativamente alto, é limitado ao campo aeroespacial e militar por sua alta confiabilidade.
• Indicador de nível de combustível: O sensor de efeito Hall detecta a posição de um elemento flutuante usando sensor de posição e empregado como indicador de nível de combustível automotivo.
• Esteira elétrica: Sensores Hall são usados ​​aqui para sensores de velocidade e também para paradas de emergência devido a qualquer queda acidental. O cós do usuário na esteira é preso a um cabo de tração que, por sua vez, é preso a um ímã. Se acidentalmente o usuário cair, o ímã se solta e há uma interrupção no fornecimento de energia que interrompe a máquina.

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