Fundamentos de sensores magnéticos digitais

Um sensor magnético digital é um dispositivo no qual a saída alterna entre os estados LIGADO e DESLIGADO como um efeito da presença de um campo magnético externo. Dispositivos deste tipo, com base no princípio físico do efeito Hall , são amplamente usados ​​como sensores de proximidade, posicionamento, velocidade e detecção de corrente. Ao contrário de uma chave mecânica, eles são uma solução de longa duração, pois não apresentam desgaste mecânico e podem operar mesmo em condições ambientais particularmente críticas. Os sensores magnéticos digitais estão se tornando cada vez mais difundidos, especialmente nos setores automotivo e de eletrônicos de consumo, graças a recursos como operação sem contato, falta de manutenção, robustez e imunidade a vibrações, poeira e líquidos.

No setor automotivo, por exemplo, esses sensores são usados ​​para detectar posição, distância e velocidade. No motor são usados ​​para identificar a posição do virabrequim, no habitáculo são usados ​​para detectar a posição dos bancos e dos cintos de segurança (informações básicas para operar o sistema de controle do airbag), e nas rodas, eles detectar a velocidade de rotação, necessária para o ABS.

Princípio de operação

O coração de cada sensor magnético é representado pelo elemento Hall, cuja tensão de saída (também chamada de tensão Hall e indicada com V _H ) é diretamente proporcional à intensidade do campo magnético que passa pelo material semicondutor. Como essa tensão é muito baixa, da ordem de alguns microvolts, é necessário incluir no projeto outros componentes, como amplificadores operacionais, comparadores de tensão, reguladores de tensão e drivers de saída. Dependendo do tipo de saída, os sensores magnéticos são divididos em lineares, em que a tensão de saída analógica varia linearmente com a intensidade do campo magnético, e digitais, em que a saída pode assumir apenas dois estados. Em ambos os casos, o V _H tensão satisfaz a seguinte equação:

V _H =R _H · ((B · I) / t)

onde:V _H é a tensão Hall em volts, R _H é o coeficiente de efeito Hall, I é a corrente que flui através do sensor em amperes, t é a espessura do sensor em mm e B é a densidade do fluxo magnético em Teslas. Figura 1 mostra o diagrama de blocos de um sensor de efeito Hall linear genérico, enquanto o diagrama da Figura 2 refere-se a um sensor digital. O elemento Hall é representado na Figura 1 pela caixa quadrada com um “X” e, dependendo do tipo, um sensor pode incluir várias células do mesmo tipo (duas são necessárias para detectar campos magnéticos diferenciais, três para detectar direção ou movimento). Para aumentar a flexibilidade da interface, o sensor analógico geralmente inclui um emissor aberto, coletor aberto ou transistor push-pull conectado à saída do amplificador diferencial. A principal diferença entre os dois esquemas consiste no fato de o sensor com saída digital incluir um gatilho Schmitt com histerese embutida, conectado ao opamp.

Figura 1:Diagrama de blocos de um sensor de efeito Hall linear (saída analógica)
Quando o fluxo magnético que passa pelo sensor excede um certo limite, a saída muda de OFF para ON. A histerese é usada para eliminar qualquer oscilação do sinal de saída quando o sensor entra e sai do campo magnético. Os dispositivos baseados no efeito Hall são divididos em sensores unipolares e bipolares. Os sensores bipolares requerem um campo magnético positivo (pólo sul) para operar e um campo magnético negativo (pólo norte) para serem liberados. Os sensores unipolares requerem um único pólo magnético (pólo sul) tanto para operação quanto para liberação. Além disso, os sensores são normalmente projetados para produzir uma saída no estado DESLIGADO (circuito aberto) na ausência de um campo eletromagnético e uma saída no estado LIGADO (circuito fechado) quando estão sujeitos a um campo magnético de intensidade suficiente e com a polaridade.

Figura 2:Diagrama de blocos de um sensor digital de efeito Hall

Aplicativos

Independentemente do tipo específico de aplicação, um requisito fundamental para a operação correta dos sensores de efeito Hall é que as linhas de fluxo magnético sejam sempre perpendiculares à superfície do sensor e tenham a polaridade correta. As aplicações dos sensores magnéticos digitais são muitas, incluindo automotivo, eletrônicos de consumo, sistemas eletromédicos, telecomunicações, controle de processos industriais. Sensores de posição são usados ​​para detectar um movimento deslizante entre o ímã e o sensor, com os dois elementos colocados a uma distância muito curta. O movimento relativo entre o ímã e o sensor gera um campo magnético positivo quando o sensor se move em direção ao sul e um campo magnético negativo quando o sensor se move em direção ao pólo norte.

Várias técnicas estão disponíveis para determinar a posição:por exemplo, se a aplicação requer uma posição limitada e discreta, chaves simples podem ser usadas, enquanto para aplicações que requerem maior precisão, um dispositivo linear pode ser usado em combinação com um microprocessador. Sensores de posição ou proximidade também podem ser usados ​​para monitorar o nível de um líquido, com aplicações em eletrodomésticos, como máquinas de lavar ou de lavar louça. Neste caso, vários interruptores Hall são usados ​​em combinação com um ímã colocado no flutuador.

Quando o flutuador sobe dentro do tubo, os interruptores discretos correspondentes posicionados fora da caixa são ativados, fornecendo uma indicação digital do nível de água. Outra aplicação importante diz respeito aos motores DC sem escovas, cuja velocidade é controlada por comutação elétrica ao invés de mecânica. Nesse sentido, três sensores magnéticos digitais são posicionados no estator do motor, enquanto ímãs permanentes são colocados no eixo do rotor. O setor automotivo emergiu como líder no mercado global de sensores de campo magnético, respondendo por mais de 40% do mercado. A crescente demanda para integrar vários recursos de segurança em automóveis criou uma oportunidade para os sensores Hall, explorados em várias aplicações relacionadas à segurança, como o Sistema de Controle Eletrônico de Estabilidade (ESC) e o Sistema de Frenagem Antibloqueio (ABS).

Um exemplo de sensores magnéticos digitais para detecção de posição é a família de dispositivos Allegro MicroSystems A1210-A1214. Fornecido com certificação AEC-Q100 para aplicações automotivas, os sensores da série A121x oferecem alta confiabilidade com operação estável e contínua em toda a faixa de temperatura estendida, desempenho EMC robusto e alta classificação ESD. As travas de efeito Hall A1210-A1214 incluem o seguinte em um único chip de silício:regulador de tensão, gerador de tensão Hall, amplificador de pequeno sinal, gatilho Schmitt e transistor de saída NMOS.

A saída desses dispositivos muda para baixo (liga) quando um campo magnético perpendicular ao elemento Hall excede o limite do ponto de operação. O sensor apresenta um comportamento de travamento, ou seja, um pólo sul com força suficiente liga o dispositivo e permanece ligado também após a remoção do pólo sul. Quando o campo magnético é reduzido abaixo do ponto de liberação, a saída do sensor fica alta (desliga). A diferença na operação magnética e nos pontos de liberação é a histerese do dispositivo.

Sensores magnéticos também são adequados para detecção precisa da posição angular. Um exemplo é o codificador rotativo magnético AMS AS5048A / AS5048B, um sensor que fornece uma saída de alta resolução de 14 bits para detecção de posição angular de 360 ​​°. A Figura 3 mostra os principais blocos funcionais do dispositivo:sensor Hall, conversor analógico-digital e processamento de sinal digital. A posição absoluta do ímã é diretamente acessível através de uma saída PWM e pode ser adquirida através de um SPI padrão ou uma interface I²C de alta velocidade, dependendo da versão. A posição zero pode ser programada via comando SPI ou I²C, simplificando todo o sistema, uma vez que o ímã não precisa ser alinhado mecanicamente. O sensor tolera desalinhamento, variações do entreferro, temperatura e variações do campo magnético externo. Confiabilidade, robustez e ampla faixa de temperatura o tornam ideal para detecção de ângulo de rotação em ambientes industriais e médicos agressivos.

Figura 3:Principais blocos funcionais do AS5048A [Fonte:AMS]

Conclusão

Os sensores magnéticos digitais de efeito Hall são bem conhecidos entre os projetistas por sua robustez, durabilidade e operação confiável para qualquer aplicação de detecção de posição. Seja simplesmente detectando o fechamento da tampa de um laptop ou realizando uma comutação complexa do motor e medição de posição precisa, os sensores de efeito Hall detectarão a posição com extrema precisão, mesmo nas condições ambientais mais severas.

Por S. Lovati, engenheiro eletrônico e autor técnico