O efeito Hall foi descoberto por Edwin Hall em 1879, mas foram muitos anos antes dos desenvolvimentos tecnológicos tornarem possível que os circuitos integrados tirassem pleno partido deste fenómeno. Hoje em dia, os circuitos integrados com sensor de efeito Hall oferecem uma forma conveniente de obter medições precisas da corrente que mantêm o isolamento eléctrico entre o percurso da corrente medida e o circuito de medição.
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De Lorentz a Hall
O efeito Hall é uma extensão da força de Lorentz, que descreve a força exercida sobre uma partícula carregada – tal como um electrão que se move através de um campo magnético. Se o campo magnético for orientado perpendicularmente à direcção do movimento do electrão, o electrão experimenta uma força perpendicular tanto à direcção do movimento como à orientação do campo magnético.
O efeito Hall refere-se à situação em que a força de Lorentz actua sobre os electrões em movimento através de um condutor, de tal forma que se desenvolve uma diferença no potencial eléctrico – por outras palavras, uma tensão – entre os dois lados do condutor.
Nota que as setas neste segundo diagrama indicam a direcção do fluxo de corrente convencional, o que significa que os electrões estão a viajar na direcção oposta. A direcção da força de Lorentz é governada por uma regra da direita que tem em conta a direcção em que o electrão está a viajar em relação ao campo magnético. No primeiro diagrama, o electrão está a mover-se para a direita, e a força de Lorentz é ascendente. No segundo diagrama, com os electrões a fluir para a esquerda, a força de Lorentz é para baixo, e assim a carga negativa acumula-se em direcção à extremidade inferior do condutor. O resultado é uma diferença potencial que se desenvolve entre o bordo superior e inferior do condutor, com o bordo superior mais positivo do que o inferior. Esta diferença de potencial é referida como a tensão de Hall:
$V_{Hall}=-\frac{IB}{eρt}$$
Esta equação, que se aplica a uma placa condutora de corrente, diz-nos que a tensão de Hall está relacionada com a amplitude da corrente que flui através do condutor (I), a intensidade do campo magnético (B), a carga elementar de electrões (e), o número de electrões por unidade de volume (ρ), e a espessura da placa (t).
Harnessing the Hall Effect
As tensões geradas através do efeito Hall são pequenas relativamente ao ruído, offsets, e efeitos de temperatura que tipicamente influenciam um circuito, e assim os sensores práticos baseados no efeito Hall não eram generalizados até os avanços na tecnologia de semicondutores permitirem componentes altamente integrados que incorporam um elemento Hall e circuitos adicionais necessários para amplificar e condicionar a tensão Hall. No entanto, os sensores de efeito Hall são limitados na sua capacidade de medir pequenas correntes. Por exemplo, o ACS712 da Allegro MicroSystems tem uma sensibilidade de 185 mV/A. Isto significa que uma corrente de 10 mA produziria uma tensão de saída de apenas 1,85 mV. Esta tensão pode ser aceitável se o circuito tiver um piso de baixo ruído, mas se uma resistência 2 Ω pudesse ser incluída no caminho da corrente, a tensão de saída de 20 mV resultante seria uma grande melhoria.
O efeito Hall é relevante para uma variedade de aplicações de sensores; dispositivos baseados nesta relação relativamente simples entre corrente, campo magnético, e tensão podem ser usados para medir a posição, velocidade, e força do campo magnético. Neste artigo, no entanto, vamos concentrar-nos em dispositivos que medem corrente através da tensão de Hall gerada quando um campo magnético induzido pela corrente medida se concentra num elemento de efeito Hall integrado.
Pros e Cons
Características de desempenho variam de um sensor de corrente de efeito Hall para outro, pelo que é difícil resumir com precisão as vantagens e desvantagens da detecção do efeito Hall em relação à outra técnica de sentido de corrente comum; nomeadamente, a inserção de uma resistência de precisão no caminho da corrente e a medição da queda de tensão resultante com um amplificador diferencial. No entanto, em geral, os sensores de efeito Hall são valorizados por serem “não intrusivos” e por proporcionarem isolamento eléctrico entre o trajecto de corrente e o circuito de medição. Estes dispositivos são considerados não intrusivos porque nenhuma quantidade significativa de resistência é inserida na trajectória de corrente, e assim o circuito a ser medido comporta-se quase como se o sensor não estivesse presente. Um benefício adicional é que a potência mínima é dissipada pelo sensor; isto é particularmente importante na medição de grandes correntes.
P>Apesando a precisão, os sensores de efeito Hall actualmente disponíveis podem atingir um erro de saída tão baixo quanto 1%. Um circuito de sentido de corrente resistivo bem concebido poderia ultrapassar isto, mas 1% seria geralmente adequado nas aplicações de alta corrente/alta tensão para as quais os dispositivos de efeito Hall são particularmente adequados.
Desvantagens dos sensores de efeito Hall incluem uma gama de frequência limitada e um custo mais elevado. O ACS712 oferece uma largura de banda interna de 80 kHz, e o Melexis MLX91208, que é comercializado como um dispositivo de “banda larga”, é especificado até 250 kHz. Por outro lado, um circuito resistivo de sentido de corrente com um amplificador de alta velocidade, poderia funcionar bem dentro da gama megahertz. Também, como discutido acima, o efeito Hall é inerentemente limitado em relação à medição de pequenas correntes.
Isolamento
Um dos benefícios dominantes dos sensores de efeito Hall é o isolamento eléctrico, que num contexto de circuito ou de concepção de sistema é frequentemente referido como isolamento galvânico. O princípio do isolamento galvânico está envolvido sempre que um desenho requer que dois circuitos comuniquem de uma forma que impeça qualquer fluxo directo de corrente eléctrica. Um exemplo simples é quando um sinal digital é passado através de um opto-isolador, que converte os impulsos de tensão em impulsos de luz e assim transmite os dados de forma óptica e não eléctrica. Uma das principais razões para implementar o isolamento galvânico é evitar problemas relacionados com laços de terra:
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Princípios de concepção de circuitos básicos assumem que os componentes interligados partilham um nó de terra comum, que se assume estar a 0 V. Na vida real, contudo, o “nó de terra” é composto por condutores com resistência não nula, e estes condutores servem como caminho de retorno para a corrente que flui do circuito de volta para a fonte de alimentação. A lei de Ohm lembra-nos que a corrente e a resistência fazem tensão, e estas quedas de tensão no caminho de retorno significam que a “terra” numa parte do circuito ou sistema não está no mesmo potencial que a “terra” noutra parte. Estas diferenças no potencial de terra podem levar a problemas que vão de negligenciáveis a catastróficos.
Ao impedir o fluxo directo de corrente entre dois circuitos, o isolamento galvânico permite que circuitos com diferentes potenciais de terra comuniquem com sucesso. Isto é particularmente relevante para aplicações com sentido de corrente: um sensor de baixa tensão e um circuito de processamento podem necessitar de monitorizar correntes grandes e altamente variáveis, por exemplo, num circuito de accionamento do motor. Estas correntes grandes e de rápida mudança conduzirão a flutuações consideráveis de tensão na trajectória de retorno. Um sensor de efeito Hall permite ao sistema monitorizar a corrente de accionamento e proteger o circuito do sensor de alta precisão contra estas flutuações prejudiciais à terra.
Tensão de modo comum
Outra aplicação importante para sensores de efeito Hall é a medição de corrente envolvendo altas tensões. Num circuito resistivo de sentido de corrente, um amplificador diferencial mede a diferença de tensão entre um lado de uma resistência e o outro. Um problema surge, porém, quando estas tensões são grandes relativamente ao potencial de terra:
A amplificadores de vida real têm uma “gama de modo comum” limitada, o que significa que o dispositivo não funcionará correctamente quando as tensões de entrada, embora pequenas relativamente umas às outras, forem demasiado grandes relativamente à terra. As gamas de modo comum de amplificadores de sentido de corrente normalmente não se estendem para além de 80 ou 100 V. Os sensores de efeito Hall, por outro lado, podem converter corrente em tensão sem referência ao potencial de terra do circuito medido. Consequentemente, enquanto as tensões não forem suficientemente grandes para causar danos físicos, a tensão de modo comum não afecta o funcionamento de um dispositivo de efeito Hall.