Transdutores de Corrente por Efeito Hall

Trabalho da disciplina Intrumentação Eletrônica
Paulo Neis
Abril de 2000

• Efeito Hall: Teoria
• Sensores de Efeito Hall - Descrição geral
  • Transdutores em laço aberto
  • Transdutores em laço fechado
• CS200A-P: Especificações
  • Características elétricas
  • Performace dinâmica
  • Características gerais
  • Configurações sugeridas
• Referências Bibliogáficas

Efeito Hall - Teoria

O efeito Hall se caracteriza basicamente pelo aparecimento de um campo elétrico transversal em um condutor percorrido por uma corrente elétrica, quando o mesmo se encontra mergulhado em um campo magnético.

Considere a Figura 1, onde um filme de material semicondutor é percorrido por uma corrente elétrica constante. A distribuição de corrente sobre o mesmo é uniforme, e não existe diferença de potencial na saída.

Na presença de um campo magnético perpendicular (Figura 2), o fluxo de corrente é distorcido. A distribuição resultante provoca o aparecimento de uma DDP entre os terminais de saída. Esta DDP é chamada Tensão Hall.

Uma equação que descreve superficialmente a interação entre campo magnético, corrente e Tensão Hall é:

Onde:

• k: Constante, definida pela geometria do elemento Hall e pela temperatura ambiente.

• I: Corrente que flui através do elemento.

• Componente do campo magnético perpendicular ao filme.

Sensores de Efeito Hall - Descrição geral

A tensão Hall é um sinal bastante débil, da ordem de 20 a 30 microvolts, em um campo magnético de 1 gauss. Um sinal desta magnitude requer um amplificador com características de alta impedância de entrada, baixo ruído e 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 não mais será linear, comprometendo assim a exatidão da medida, porém sem causar danos ao transdutor.

Transdutores de corrente por efeito Hall são capazes de "enxergar" correntes dc, ac e formas de onda complexas. Uma característica importante é sua capacidade de realizar isto tudo estando isolado galvanicamente do circuito principal. As principais vantagens são o baixo consumo, pequeno tamanho e peso. Perdas por inserção são praticamente nulas e sobrecorrentes não chegam a causar danos ao circuito de medida.

Transdutores de corrente em Laço Aberto

Um transdutor de corrente em laço aberto é ilustrado esquematicamente na Figura 4. Observa-se a presença de um gerador Hall montado na fenda (gap) de um circuito magnético constituído por um toróide. O condutor transportando corrente passa através da abertura do toróide, e produz um campo magnético proporcional a esta. O toróide concentra o campo magnético sobre o elemento Hall, cuja saída é amplificada.

A linearidade desta configuracão depende essencialmente das características do material magnético do toróide e da qualidade do gerador Hall.

Exemplos de transdutores de corrente em laço aberto são os da série PRO e X da AMP-LOC.

Transdutores de corrente em Laço Fechado

Na figura 5 é esquematizado um transdutor de corrente em laço fechado. Pode-se notar, como anteriormente, a presença do elemento Hall montado no gap de um toróide de material magnético, através do qual passa o condutor transportando a corrente que se deseja medir. A diferença em relação ao caso anterior é que a saída do elemento Hall (devidamente amplificada) passa por uma bobina enrolada sobre o próprio toróide, de forma a produzir um campo magnético igual em módulo, porém oposto ao original. Isto nos garante que o fluxo através do toróide será sempre próximo de zero. A saída do transdutor é um sinal de corrente, que pode ser convertido para tensão conectando-se um resistor de carga.

Esta técnica traz significantes melhorias à performace do transdutor, eliminando efeitos da não-linearidade do núcleo magnético.

Exemplos de transdutores de corrente em laço fechado são os da série CS da AMP-LOC.

CS200A-P: Especificações

Obs.:

• A temperatura da barra condutora não deve ultrapassar 100C.

• Uma tensão de saída positiva é obtida quando a corrente flui no sentido da seta (ver figura 7).

Algumas configurações sugeridas:

• a) Saída proporcional à corrente total na barra (figura 8):

  
  

  
  

  Usada quando se deseja medir todas as componentes (AC e DC) presentes na barra.

  
  

• b) Saída proporcional à corrente AC (figura 9):

  
  

  
  

  Usada quando se deseja medir apenas as componentes AC presentes no circuito.

  
  

• c) Chave digital (comparador) com ponto de operação ajustável (figura 10):

  
  

  
  

  
  

  Pode ser usada para acionamento, proteção de sobrecorrente, etc.

Referências bibliográficas:

• Amploc Current Sensors - Engeneer's Reference Handbook, Amploc
• Halliday D., Resnick R., Walker J., Fundamentals of Physics, 4th edition, 1993.
• www.west.net/~escor
• www.amploc.com

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