Detecção de corrente de efeito Hall:Configurações de malha aberta e malha fechada

Aprenda os fundamentos dos sensores de corrente de efeito Hall neste artigo técnico.

Os sensores de corrente são amplamente usados ​​em uma variedade de aplicações. Uma técnica comum é a detecção de corrente resistiva, em que a queda de tensão em um resistor de derivação é medida para determinar a corrente desconhecida. As soluções baseadas em resistor de derivação não fornecem isolamento galvânico e não são eficientes em termos de energia, especialmente ao medir grandes correntes.

Outra técnica amplamente utilizada é baseada no efeito Hall. Um sensor de corrente de efeito Hall oferece um nível mais alto de segurança devido ao seu isolamento galvânico entre o sensor e a corrente a ser medida. Também evita a dissipação de potência considerável do resistor shunt empregado em métodos de detecção de corrente resistiva.

Neste artigo, daremos uma olhada nos conceitos básicos dos sensores de corrente de efeito Hall.

Sensor de Corrente em Malha Aberta

A estrutura de um sensor de corrente de malha aberta com base no efeito Hall é mostrada na Figura 1.

Figura 1. Imagem cortesia de Dewesoft

A corrente a ser medida flui através de um condutor que está dentro de um núcleo magnético. Desta forma, a corrente cria um campo magnético dentro do núcleo. Este campo é medido por um sensor de efeito Hall colocado no entreferro central.

A saída do sensor Hall é uma tensão proporcional ao campo magnético do núcleo, que também é proporcional à corrente de entrada. O sinal produzido pelo dispositivo Hall é geralmente processado por um circuito de condicionamento de sinal. O circuito de condicionamento de sinal pode ser um estágio de amplificação simples ou um circuito mais complicado projetado para eliminar o erro de desvio do dispositivo Hall, etc.

Por que precisamos de um núcleo magnético?

Suponha que não haja núcleo magnético. O campo magnético a uma distância de r de um condutor reto infinitamente longo que carrega uma corrente elétrica de I é dado por:

\ [B =\ frac {µ_0I} {2 \ pi r} ~, ~ µ_0 =4 \ pi \ vezes 10 ^ {- 7} \ frac {H} {m } \]

onde µ ₀ é a permeabilidade do espaço livre. Para I =1 A, r =1 cm, obtemos:

\ [B =2 \ vezes 10 ^ {- 5} ~ Tesla =0,2 ~ Gauss \]

Para ter uma ideia do quão pequeno é este campo magnético, observe que o campo magnético da Terra é de cerca de 0,5 Gauss. Portanto, é muito desafiador medir uma corrente 1-A detectando o campo magnético que ela produz no espaço livre. Para combater esse problema, podemos usar um núcleo magnético para confinar e guiar o campo magnético produzido pela corrente. O núcleo oferece um caminho de alta permeabilidade para o campo magnético e atua como um concentrador de campo. O campo magnético dentro do núcleo pode ser centenas ou milhares de vezes maior do que uma determinada corrente pode produzir no espaço livre.

The Air Gap

Conforme mostrado na Figura 1, o núcleo magnético é projetado com um entreferro no qual o sensor Hall é colocado. O entreferro pode levar ao fenômeno do fluxo de franja, onde algumas linhas de fluxo se desviam de seu caminho reto e, portanto, não passam pelo sensor como esperado. Este efeito de franja é mostrado na Figura 2.

Figura 2. Imagem cortesia de R. Jez

Por causa do efeito de franja, a densidade do fluxo magnético detectada pelo dispositivo Hall pode ser menor do que a densidade do fluxo magnético dentro do núcleo. Em outras palavras, o entreferro pode reduzir a eficácia do núcleo na conversão da corrente primária em um forte campo magnético. No entanto, se o comprimento da lacuna for pequeno em comparação com a área da seção transversal da lacuna, o efeito do efeito de franja pode ser relativamente pequeno.

Precisamos do entreferro para poder medir o campo magnético dentro do núcleo. Além disso, o entreferro nos permite modificar a relutância geral do núcleo. Observe que uma alta corrente pode criar um grande campo magnético dentro do núcleo e saturá-lo. Isso pode limitar a corrente máxima que pode ser medida. Ajustando o comprimento do entreferro, podemos alterar o nível de saturação do núcleo. A Figura 3 mostra como a densidade do fluxo magnético detectado muda com o comprimento do entreferro para um determinado núcleo.

Figura 3. Imagem cortesia de Allegro

Com espaços de ar menores, podemos alcançar um ganho magnético maior (ganho de gauss por ampère). No entanto, um entreferro menor pode saturar o núcleo com uma corrente relativamente menor. Conseqüentemente, o comprimento do gap afeta diretamente a corrente máxima que pode ser medida. Além do comprimento da lacuna, existem outros fatores, como o material do núcleo, as dimensões do núcleo e a geometria do núcleo, que determinam a eficiência de um núcleo magnético. Para obter mais informações sobre núcleos adequados para aplicativos de alta corrente (> 200 A), consulte esta nota de aplicativo da Allegro.

Limitações de detecção de corrente em malha aberta

Com uma configuração de malha aberta, efeitos não ideais, como linearidade e erros de ganho, podem afetar a precisão da medição. Por exemplo, se a sensibilidade do sensor muda com a temperatura, um erro dependente da temperatura aparecerá na saída. Além disso, com detecção de corrente em malha aberta, o núcleo está sujeito à saturação. Além disso, o deslocamento do sensor Hall, bem como a coercividade do núcleo, podem contribuir para erros.

Sensor de Corrente em Malha Fechada

A técnica de detecção de corrente de efeito Hall de malha fechada é ilustrada na Figura 4.

Figura 4. Imagem cortesia de Cheemi-Tech

Como o nome sugere, essa técnica é baseada em conceitos de feedback negativo. Nesse caso, há um enrolamento secundário que é acionado pela saída do caminho de feedback. O caminho de feedback detecta o campo magnético dentro do núcleo e ajusta a corrente através do enrolamento secundário para que o campo magnético total do núcleo seja igual a zero. Vamos ver como funciona esse circuito.

A corrente a ser medida flui através do condutor primário e cria um campo magnético dentro do núcleo. Este campo é medido por um sensor de efeito Hall colocado no entreferro central. A saída do sensor Hall, que é uma tensão proporcional ao campo magnético do núcleo, é amplificada e convertida em um sinal de corrente que passa pelo enrolamento secundário. O sistema é projetado de forma que a corrente que passa pelo enrolamento secundário produza um campo magnético que se opõe ao campo magnético da corrente primária. Com o campo magnético total sendo igual a zero, devemos ter:

\ [N_pI_p =N_sI_s \]

onde N _p e N _s são respectivamente o número de voltas dos enrolamentos primário e secundário; e eu _p e eu _s são as correntes primárias e secundárias. Na Figura 4, temos N _p =1 e \ [V_ {out} =R_m \ vezes I_s \]. Portanto, obtemos:

\ [V_ {out} =R_m \ times \ frac {1} {N_s} \ times I_p \]

Isso nos dá uma tensão que é proporcional à corrente primária. Observe que o fator de proporcionalidade, \ [R_m \ times \ frac {1} {N_s} \], é uma função do número de voltas e do valor do resistor de derivação. O número de voltas é um valor constante e os resistores também são muito lineares.

Sensor de corrente em malha aberta versus malha fechada

O feedback negativo empregado na arquitetura de malha fechada nos permite reduzir os efeitos não ideais, como linearidade e erros de ganho. É por isso que, ao contrário de uma configuração de malha aberta, uma arquitetura de malha fechada não é afetada pelo desvio na sensibilidade do sensor. Conseqüentemente, uma configuração de malha fechada oferece uma maior precisão. Um sensor de corrente de circuito fechado é mais robusto para a saturação do núcleo porque a densidade do fluxo magnético dentro do núcleo é muito pequena.

Com detecção de circuito fechado, a bobina secundária é ativamente acionada por um amplificador de alta potência. Os componentes adicionais empregados em uma arquitetura de loop fechado levam a uma área de PCB maior, um consumo de energia mais alto e também a um preço mais alto.

O problema de estabilidade é outra desvantagem de um sensor de corrente de malha fechada. Com uma configuração de malha fechada, precisamos derivar a função de transferência do sistema e ter certeza de que o sistema está estável. Um sistema instável pode exibir overshoot ou ringing em resposta a uma mudança rápida na corrente de entrada. Para tornar um sistema de malha fechada estável, geralmente precisamos limitar sua largura de banda. No entanto, reduzir a largura de banda do sistema pode aumentar seu tempo de resposta e tornar o sistema incapaz de responder a mudanças rápidas na entrada. Normalmente, espera-se que uma configuração de malha aberta exiba um tempo de resposta mais rápido.

Observe que o deslocamento do sensor Hall pode contribuir para erros em configurações de malha fechada e malha aberta. O deslocamento de um elemento Hall de antimoneto de índio (InSb) de qualidade é normalmente ± 7 mV.

Soluções integradas modernas

Vale a pena mencionar que os sensores de corrente modernos baseados no efeito Hall empregam técnicas inovadoras para lidar com algumas das limitações acima. Por exemplo, o DRV411 da TI é um IC de condicionamento de sinal projetado para aplicações de detecção de corrente em malha fechada que usa a técnica de rotação de corrente para eliminar os erros de desvio e desvio do elemento Hall. Essa técnica é ilustrada na Figura 5.

Figura 5. Técnica de fiação atual usada no DRV411. Imagem cortesia da Texas Instruments

Outro exemplo é o ACS720 [link para download de PDF] da Allegro, projetado para aplicações de detecção de corrente em circuito aberto. O ACS720 usa algoritmos de compensação de temperatura no chip para otimizar a precisão em relação à temperatura.

Figura 6. O diagrama de blocos do ACS720. Imagem cortesia da Allegro Microsystems [link para download do PDF]

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