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SENSORES DE EFEITO HALL E SUAS APLICAÇÕES

Bruno Moreira Nogueira Vilela* Guilherme de Oliveira Alves* Maria Rita Dias Faria* bruno.vilela@engenharia.ufjf.br guilherme.alves@engenharia.ufjf.br maria.rita@engenharia.ufjf.br

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 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.

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 (VH).

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.

Figura 3: Comportamento do sensor de efeito [3]

2.1.2 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].

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.

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,

3

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

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 4: Duas possibilidades de projetos de simples

circuitos magnéticos que direcionam as linhas dos campos

magnéticos [4]

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 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.

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].

Figura 6: Flutuador vertical baseado em sensores de efeito

Hall lineares e interruptores Hall [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.

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. 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

4

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 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.

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.

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.

5

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:

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.

2.2.3 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]:

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.

2.2.4 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.

6

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 Ix. 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, e os elétrons (portadores com cargas negativas) para a

face esquerda, como está indicado na Figura 15. Dessa forma a

voltagem de Hall, VH, será estabelecida na direção do eixo y. A

magnitude de VH irá depender de Ix, de Bz e da espessura da

amostra, d, como representado na Equação (1) [7].

𝑉𝐻 =𝑅𝐻𝐼𝑥𝐵𝑧

𝑑 (1)

Nessa expressão, RH 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):

𝑅𝐻 =

1

𝑛 𝑒

(2)

Onde n representa o número de elétrons livres ou de condução

e pode ser determinado, uma vez que RH 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,

𝜇𝑒 é a demonstrada na Equação (3).

𝜇𝑒 =𝜎

𝑛|𝑒| (3)

Ou, ajustando as Equações (2) e (3), tem-se a Equação (4).

𝜇𝑒 = |𝑅𝐻|𝜎 (4)

Assim, a magnitude de 𝜇𝑒 pode ser determinada se a

condutividade elétrica σ também tiver sido medida. Podemos

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.

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.

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.

7

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/como-

funciona/6640-como-funcionam-os-sensores-de-efeito-hall-

art1050, 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-2/2770-

sensoriamento-de-nvel-de-lquidos-usando-sensores-de-efeito-

hall

[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.