O que é um sensor hall: princípio de funcionamento, construção e métodos de teste

Os sensores são transdutores de uma quantidade física para outra (geralmente uma quantidade eléctrica) e são amplamente utilizados em aparelhos domésticos e industriais. Sem eles é muito difícil, se não impossível, medir, digitalizar e processar parâmetros do processo, tais como pressão e fluxo (de gás ou líquido), temperaturapressão, nível, força de campo magnético ou eléctrico, etc. Um dos sensores mais difundidos é o sensor hall - é utilizado tanto em aplicações domésticas (começando com smartphones ou portáteis) como nas aplicações industriais mais complexas.

O efeito Hall - princípio de funcionamento

O efeito foi descoberto em 1879 pelo físico americano Edwin Hall e tem o seu nome em homenagem a ele. A essência do fenómeno é que se pegar numa placa metálica e passar uma corrente eléctrica através dela (na direcção AB na figura) e depois actuar sobre a placa com um campo magnético, tal como o criado por um íman permanente, surgirá uma diferença potencial na direcção perpendicular ao fluxo de corrente (CD na figura).

Este efeito deve-se à força de Lorentz que actua sobre as cargas em movimento e as desloca numa direcção perpendicular à direcção do movimento. Isto resulta numa diferença potencial nos bordos da placa, que pode ser medida ou utilizada para accionar actuadores (por amplificação). Esta diferença depende de:

• a força da corrente que flui;
• a força do campo magnético;
• a concentração de transportadores gratuitos no condutor.

O fenómeno tem o nome do seu descobridor - o efeito Hall.

Tipos e construção de sensores Hall

Este efeito, que foi descoberto no século anterior, encontrou uma aplicação prática. É a base para os sensores de campo magnético. A sua vantagem é que não têm elementos de movimento ou fricção (ao contrário dos interruptores de palhetas), pelo que a sua fiabilidade é muito superior. De acordo com o seu princípio de sensibilidade sensores industriais Os sensores de corredor estão divididos em:

• unipolar (reage apenas a um pólo magnético - norte ou sul);
• bipolar (activado pelo campo magnético da mesma polaridade, desactivado pelo campo magnético da polaridade oposta);
• omnipolar - responde a qualquer um dos pólos de um íman.

A diferença potencial criada por um campo magnético que actua sobre cargas móveis são unidades, na melhor das hipóteses dezenas de microvolts. Isto não é suficiente para aplicações práticas, a diferença potencial deve ser amplificada. Estes amplificadores são construídos directamente na caixa do sensor, e os dispositivos são divididos em duas classes de acordo com o tipo de amplificador.

1. Analógico. A voltagem à saída do sensor é proporcional ao campo magnético (depende da força do íman e da distância do mesmo). São baseados em amplificadores operacionais e podem ser utilizados para medir campos magnéticos.
2. Digital. Após o amplificador, o comparador ou um gatilho Schmitt. A tensão de saída salta de zero para um nível elevado (normalmente para o nível de tensão de alimentação) quando a indução magnética atinge um determinado limiar. Estes sensores são utilizados para construir relés magnéticos ou geradores de impulsos. O sinal amplificado da placa é alimentado até ao dispositivo de limiar. Quando o nível definido é atingido, o sensor é accionado. O nível de resposta pode ser ajustado alterando a distância entre o sensor e a fonte do campo magnético.

Aplicações de sensores Hall

A aplicação mais comum para sensores Hall em casa é em sistemas de ignição sem contacto para veículos. Têm a vantagem de não existirem grupos de contacto mecânicos. Isto significa que não há desgaste, não há queima dos contactos e não há risco de avaria mecânica.

O sistema de distribuição contém uma placa com saliências, accionada pela cambota do motor, um íman permanente e o próprio sensor Hall. medida que a placa gira, as projecções atingem o intervalo entre o sensor e o íman num momento definido com precisão, definido pela posição da cambota, alterando o campo magnético. O sensor gera impulsos, sincronizados com a rotação da cambota, que regulam a tensão aplicada à bobina de alta tensão nos momentos necessários. Os sensores de campo magnético no veículo são também utilizados para detectar a posição da cambota.

Outro uso para sensores magneticamente sensíveis é determinar a posição de rotores de motores eléctricos. O elemento de relé é ligado ao estator motor e é accionado quando o pólo é passado. Este princípio pode ser utilizado para construir um contador de velocidade ou um medidor de velocidade.

Os dispositivos baseados no efeito Hall são utilizados em computadores portáteis ou dispositivos móveis - como um indicador da posição fechada da tampa. Quando o sensor é accionado, o computador vai dormir ou desliga-se. E nos smartphones, uma das funções de um sensor que reage ao campo magnético da Terra é organizar o funcionamento de uma bússola electrónica.

Os sensores analógicos Hall são utilizados em instrumentos de medição, onde é necessário avaliar o campo magnético. São indispensáveis para medições sem contacto do fluxo de corrente num condutor. Como sabe, quando a corrente flui através de um condutor, é gerado um campo magnético à sua volta. A sua força depende da força da corrente. Se a corrente for alternada, o campo pode ser medido por outros meios (por exemplo, um transformador de corrente), mas com corrente contínua é essencial um sensor Hall. Este é o princípio sobre o qual funcionam as pinças de corrente contínua.

A aplicação mais exótica do efeito Hall é a construção de motores de foguetes de iões com base no seu princípio.

Como testar um sensor Hall

Para testar o sensor, pode montar um circuito simples, que, para além do próprio sensor, requer

• Uma fonte de alimentação com a voltagem correcta;
• uma resistência resistência de cerca de 1 kΩ;
• LED;
• íman.

Se não houver um LED disponível, pode ser utilizado um multímetro (e uma resistência limitadora de corrente). multímetro (medidor digital ou multifunções) em modo de medição de voltagem.

Não há requisitos particulares para o fornecimento de energia - as correntes no circuito são bastante pequenas. A sua tensão deve estar dentro da tensão de alimentação do sensor em teste. Ligue o LED com o seu ânodo ao lado positivo da fonte de tensão, com o seu cátodo à saída do dispositivo em teste, uma vez que o sensor é normalmente feito com um colector aberto (mas é melhor verificar com a folha de dados).

O procedimento de teste depende do tipo de dispositivo em teste.

1. Para testar um sensor digital unipolar, segurar um íman com um pólo na direcção do sensor. O LED deve acender (a seta do voltímetro deve desviar ou a leitura do testador digital deve mudar por saltos e limites). O circuito deve voltar à sua posição original quando o íman for removido por uma distância considerável. Se o sensor não funcionar, virar o íman para o outro lado e repetir o procedimento. Se o LED piscar, o sensor está a funcionar. Se não houver sucesso em nenhuma das posições do íman, o dispositivo não é adequado para ser utilizado.
2. O sensor digital bipolar é testado utilizando um método semelhante, apenas o LED acende numa posição magnética e não se apaga quando a fonte do campo magnético é removida. O circuito não deve responder a mais manipulações com o mesmo pólo. Se inverter o íman e trazê-lo para o sensor na polaridade oposta, o LED deve disparar. Isto indica que o dispositivo em teste está a funcionar correctamente. Se o circuito não funcionar, então o sensor está avariado.
3. Um sensor omnipolar digital Hall é testado da mesma forma que um sensor unipolar, mas o dispositivo sensível ao íman deve tropeçar em qualquer posição de íman.

Os sensores analógicos são testados usando a mesma metodologia dos sensores digitais, mas a tensão de saída não deve mudar subitamente, mas sim suavemente à medida que a força magnética aumenta (por exemplo, aproximando-se de um íman permanente ou aumentando a corrente no enrolamento do electroíman).

No lado prático, uma questão interessante é como verificar o sensor Hall instalado no sistema de ignição sem contacto de um carro. Para tal, remover o conector do sensor e montar o circuito indicado directamente nos pinos.

Também aqui, o LED pode ser substituído por um multímetro. Ao rodar manualmente a cambota do carro, pode observar intermitentes flashes LED ou alterações na tensão de saída de zero para aproximadamente a tensão de bordo do carro. Uma forma alternativa de verificar na garagem é substituir temporariamente o dispositivo por um bom sensor de substituição conhecido.

O sensor Hall encontrou uma utilização generalizada em aplicações domésticas e industriais. Não é difícil verificá-lo se tiver uma compreensão de como funciona.

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