Sensores de efeito Hall

Assim como o ser humano possui seus sentidos para interagir com o mundo à sua volta, temos disponível uma grande gama de sensores para que nossos projetos eletrônicos possam interfacear e controlar as mais variadas aplicações. Um destes sensores é o sensor de efeito Hall, que descreveremos aqui.
Mas o que é o sensor de efeito Hall? Este sensor é um transdutor que varia sua tensão de saída em resposta a um campo magnético¹. Assim, este sensor encontra grande aplicação em vários projetos. Por exemplo, um condutor percorrido por uma corrente gera um campo magnético proporcional a esta corrente. O sensor de efeito Hall pode então, sem interromper o circuito, ser usado para medir a corrente neste condutor.
Mas esta não é a única aplicação deste sensor. Ele pode gerar uma saída digital, agindo como chave. Assim, em conjunto com um ímã, ele poderá substituir qualquer sensor de contato e operar na detecção de portas abertas, por exemplo. No entanto, a aplicação mais notável deste sensor é na medição da velocidade de rotação de motores. Neste caso, o ímã pode ser preso no eixo do motor, e o sensor de efeito Hall seria usado para gerar um sinal digital equivalente à frequência de rotação do motor.
Existem quatro tipos de sensores de efeito Hall que nos dão uma saída digital. O primeiro deles é o sensor de efeito Hall unipolar². Este tipo de sensor reage a um campo magnético positivo, ou seja, apenas quando o pólo positivo do ímã se aproximar do sensor, é que ele irá conduzir. Enquanto o ímã estiver próximo do sensor, ele continuará conduzindo, só deixando de fazê-lo, quando o ímã for afastado. Já o sensor de efeito Hall bipolar³ reage a qualquer tipo de campo magnético, mantendo sua saída acionada na presença de um pólo sul magnético, sendo desligado 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. O sensor de efeito Hall omnipolar⁴ também detecta qualquer tipo de campo magnético, mas trabalha basicamente como o sensor unipolar: quando há a presença de ímãs, ele é acionado, mas na sua retirada ele desaciona. Este sensor simplifica a montagem do projeto, já que não é necessário se conhecer o pólo do ímã que ficará voltado para o sensor. Por último, há o latch de efeito Hall⁵, que na presença de um ímã, aciona sua entrada, e a mantém acionada até que o ímã se aproxime novamente do sensor.

Efeito Hall

Mas o que é o efeito Hall, e como ele é usado para se medir o campo magnético? Este efeito é muito simples, na verdade. A figura abaixo ilustra seu funcionamento:

Aqui, temos uma área condutora percorrida por uma corrente I. Medindo-se a tensão entre as duas laterais desta área, obteremos uma leitura de 0V. No entanto, ao aplicarmos um campo magnético Bz sobre esta área, perceberemos o surgimento de uma pequena diferença de potencial entre estes dois pontos. Isto acontece por que os elétrons percorrendo esta área são sujeitos à uma força (chamada força de Lorentz) que os move para um dos lados do condutor, como é ilustrado na figura acima.
Para entendermos melhor como operam os sensores de efeito Hall, devemos entender sobre as especificações destes sensores:
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 |.
Definido estes parâmetros, podemos explicar agora como cada tipo de sensor opera.

Chave de efeito Hall unipolar

Este tipo de sensor possui uma característica apresentada na figura abaixo²:

Como podemos ver, quando o fluxo magnético atinge o valot Bop, sua saída em Volts é alterada. Observe que acima temos dois tipos de sensores: aqueles que mudam para nível lógico alto e aqueles que mudam para nível lógico baixo. Quando o valor de fluxo magnético cai pra Brp, o valor da saída volta para o estado inicial.

Chave de efeito Hall bipolar

Abaixo temos o funcionamento da chave de efeito Hall bipolar³:

Este é um gráfico da variação de campo magnético no sensor. Observe que várias larguras de pulso podem ser obtidos variando-se os parâmetros listados acima. Com este sensor, pode-se gerar um sinal com mesma frequência da variação de campo magnético no sensor.

Chave de efeito Hall omnipolar

O funcionamento deste tipo de sensor pode ser demonstrado através do gráfico abaixo:

Aqui nós podemos ver que o gráfico é parecido com o sensor unipolar, porém agora temos 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.

Circuito

O circuito de ligação de um sensor Hall pode ser visto abaixo:

Geralmente o sensor possui três pinos: VCC, GND e saída. Como podemos ver acima, a saída geralmente é coletor-aberto, e precisa de um resistor de pull-up. A Alegro nos avisa que o valor de resistência de pull-up varia entre 1 e 10 kΩ. O valor mínimo de resistência ali é função da corrente máxima de saída do sensor, e pode ser calculado pela fórmula:
\[\begin{equation}\text{Resistência de pull-up mínima} = \frac{V_{CC}}{I_{Smax}}\end{equation}\]
Isto significa que para uma corrente máxima de 20mA e uma tensão de 5V, teremos 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.

Conclusão

Discutimos aqui o funcionamento dos sensores de efeito Hall e como eles podem ser empregados para a medição de várias grandezas, entre elas a mais destacada é a medição de rotação de motores em geral. Esperamos ter contribuído assim para aumentar o conhecimento relacionado a este tipo de sensores.

Referências

1) http://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect_sensor
2) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/unipolar/index.asp
3) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/bipolar/index.asp
4) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/omnipolar/index.asp
5) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/latching/index.asp

Outras referências

A) http://www.eetimes.com/design/embedded/4024586/Exploring-optical-and-magnetic-sensors
B) http://www.bristolwatch.com/hall_effect/index.htm
C) http://www.siliconchip.com.au/cms/A_30551/article.html
D) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/non-intrusive-current-sensing/