Qual é a diferença entre detecção de corrente de efeito Hall e detecção de posição

O uso do efeito Hall para medição de corrente é inerentemente robusto, mas pode ser uma ferramenta ainda mais versátil quando se trata de detecção de posição.

A detecção, em todas as suas formas, é fundamental para muitas aplicações. Invariavelmente, envolve um material que atua como um transdutor, para converter uma propriedade em outra. Na eletrônica, o elemento sensor terá propriedades físicas que mudam como resultado da ação do sensor, como sua resistência ou reatância, permitindo a medição de uma alteração na corrente ou na tensão.

Efeito Hall

Em 1879, Edwin Hall descobriu que, quando um condutor ou semicondutor com corrente fluindo em uma direção era introduzido perpendicularmente a um campo magnético, uma tensão podia ser medida em ângulo reto com o caminho da corrente. Está bem estabelecido que o efeito Hall resulta da interação de partículas carregadas, como elétrons, em resposta a campos elétricos e magnéticos.

O efeito Hall, aplicado aos sensores, se manifesta como uma diferença de tensão mensurável através de um condutor através do qual uma corrente constante deve estar presente ou como uma diferença de corrente mensurável através de um condutor através do qual uma tensão constante deve estar fluindo (Fig. 1) . A diferença de tensão é proporcional à força de um campo magnético. Isso significa que o efeito Hall pode ser usado de duas maneiras muito específicas, mesmo que o efeito subjacente seja o mesmo nos dois casos.

1. Em termos de sensores, o efeito Hall é uma diferença de tensão mensurável através de um condutor através do qual uma corrente constante deve estar presente ou uma diferença de corrente mensurável através de um condutor através do qual uma tensão constante deve estar fluindo.

O nível do sinal devido à variação do campo, em relação ao ruído de fundo, é pequeno (faixa de µV). Portanto, requer caminhos de sinal bastante sofisticados para utilizá-lo.

Sem desejar desvalorizar a descoberta de Edwin Hall de qualquer forma, o efeito é realmente uma extensão do uso da força de Lorentz, que descreve a interação entre forças elétricas e magnéticas em uma carga pontual devido à variação do campo eletromagnético.

Em termos simples, no caso do efeito Hall, a força de Lorentz descreve o efeito que um campo magnético exerce sobre uma partícula carregada, especificamente a direção que será forçada a seguir ao passar por um condutor exposto a um campo magnético. O movimento físico resulta em mais ou menos carga na superfície do condutor, o que resulta na diferença de potencial conhecida como tensão de Hall.

Sensor de Corrente de Efeito Hall

O fato de o efeito Hall depender de um campo magnético significa que ele pode ser usado como uma tecnologia sem contato. Portanto, é não invasivo, diferentemente da maneira mais comum de detecção de corrente, que consiste em usar um resistor de baixo valor como derivação e medir a queda de tensão através dele. O uso do efeito Hall para medição de corrente é inerentemente robusto em aplicações de alta potência, porque não depende do potencial de terra como referência.

Com um sensor de corrente de efeito Hall convencional, isso significa colocar o sensor perpendicular ao campo magnético e usar um concentrador, normalmente um núcleo ferromagnético com formato de anel ou quadrado, colocado ao redor do condutor que carrega a corrente a ser medida (Fig. 2) O sensor normalmente seria mantido em um pequeno espaço de ar formado entre as duas extremidades do núcleo ferromagnético.

2. Aqui está uma comparação de como os sensores convencionais de efeito Hall e Hall-IMC são posicionados.

Com um sensor de corrente IMC-Hall, o elemento sensor é posicionado em paralelo com o fluxo de corrente (Fig. 2, novamente) . Nesse caso, nenhum núcleo ferromagnético é necessário; no entanto, um escudo pode ser necessário para imunidade à diafonia. Isso significa que ele pode ser usado para medir a corrente que flui em uma barra de barramento ou pista de PCB apenas posicionando o sensor sobre a barra ou pista. Esse tipo de sensor é ativado pela tecnologia IMC-Hall, usando o concentrador magnético integrado (IMC) desenvolvido pela Melexis (veja abaixo) .

Fundamentalmente, é o campo magnético gerado pela corrente que está sendo detectado graças ao efeito Hall, em vez da própria corrente.

Sensor de posição de efeito Hall

O mesmo princípio pode ser usado para detectar a presença, ausência ou proximidade de um campo magnético. Efetivamente, a tensão Hall resultante do movimento de um ímã em cima dos sensores pode ser detectada, amplificada e processada. Isso apresenta uma oportunidade de usar o efeito Hall para detectar a posição ou até a orientação dos objetos em relação ao sensor.

Em um aplicativo simples, isso pode ser relativamente grosseiro, como quando um laptop é aberto ou fechado. Ou pode ser mais sofisticado quando é usado para detectar movimento linear ou rotação, como a variação na posição de um objeto móvel (Fig. 3) . Nesse sentido, o uso do efeito Hall para detecção de posição é muito mais versátil do que o uso como sensor de corrente.

O concentrador magnético integrado (IMC)

Uma das desvantagens da maioria dos sensores de efeito Hall, relacionada à maneira como o efeito funciona, é que a placa Hall usada para detectar o campo é limitada a apenas um eixo.

Para lidar com essa desvantagem, a Melexis desenvolveu o Concentrador Magnético Integrado (IMC), que torna o efeito Hall muito mais flexível. O IMC permite que os sensores de efeito Hall, enquanto permanecem em um plano, detectem campos magnéticos dos eixos X, Y e Z (Fig. 4) . Consequentemente, os benefícios da aplicação são múltiplos, incluindo a flexibilidade da orientação do sensor.

4. O concentrador magnético integrado permite que sensores de efeito Hall, enquanto permanecem no plano, detectem campos magnéticos dos eixos X, Y e Z.

Sensor de efeito Hall em aplicações automotivas

Com a inclusão da tecnologia IMC, muitas aplicações na indústria automotiva podem empregar o efeito Hall. Ao operar em três dimensões, o sensor de efeito Hall pode ser usado para detectar a posição dos pedais, a rotação da coluna de direção e o status da alavanca do freio e a posição dos assentos operados eletricamente.

Também pode ser aplicado sob o capô para monitorar peças móveis, como bombas e motores, bem como para medir a corrente consumida por partes eletrificadas do trem de força, como o inversor, o sistema de monitoramento de bateria (BMS) ou o sistema on-line. carregador de placa (OBC).

Conclusão

Em termos básicos, o fenômeno do efeito Hall pode ser explorado de várias maneiras úteis, incluindo a detecção de corrente e a posição. Apesar de grandes desafios, como a baixa relação sinal / ruído ou o impacto do campo disperso, a indústria eletrônica tem conseguido desenvolver soluções de detecção robustas e precisas com base no efeito Hall.

Em particular, a adição de um front end analógico forte e caminho de sinal digital, juntamente com tecnologias proprietárias como o IMC-Hall da Melexis, significa que o efeito Hall pode ser aplicado à medição e detecção de posição atuais - mesmo em ambientes agressivos, como o automotivo indústria.

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