Guia Especialista em Sensores de Corrente Hall Effect: Configurações Open-Loop & Closed-Loop

Aprenda o básico de sensores de corrente Hall effect neste artigo técnico.

Sensores de corrente são amplamente usados em variedade de aplicações. Técnica comum é sensoriamento de corrente resistivo onde queda de tensão através de resistor shunt é medida para determinar corrente desconhecida. Soluções baseadas em resistor shunt não fornecem isolamento galvânico e não são energeticamente eficientes, especialmente ao medir grandes correntes.

Outra técnica amplamente usada baseia-se no efeito Hall. Sensor de corrente Hall effect fornece nível superior de segurança devido ao seu isolamento galvânico entre sensor e corrente a ser medida. Também evita dissipação de potência significativa do resistor shunt empregado em métodos de sensoriamento resistivo.

Neste artigo, veremos o básico de sensores de corrente Hall effect.

Sensoriamento de Corrente Open-Loop

A estrutura de sensor de corrente open-loop baseado em efeito Hall é mostrada na Figura 1.

Figura 1. Imagem cortesia da Dewesoft

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

A saída do sensor Hall é 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 circuitaria de condicionamento de sinal. A circuitaria de condicionamento pode ser estágio de amplificação simples ou circuito mais complicado projetado para eliminar erro de drift do dispositivo Hall, etc.

Por Que Precisamos de Núcleo Magnético?

Assuma que não há núcleo magnético. O campo magnético a distância r de condutor reto infinitamente longo que carrega corrente elétrica I é dado por:

\[B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} ~ , ~ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m}\]

onde μ₀ é a permeabilidade do espaço livre. Para I=1 A, r=1 cm, obtemos:

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

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

O Air Gap

Como mostrado na Figura 1, o núcleo magnético é projetado com air gap onde o sensor Hall é colocado. O air gap pode levar a fenômeno de fringing flux onde algumas linhas de fluxo desviam de seu caminho reto e, portanto, não passam pelo sensor como esperado. Este efeito fringing é mostrado na Figura 2.

Figura 2. Imagem cortesia de R. Jez

Devido ao efeito fringing, a densidade de fluxo magnético sensada pelo dispositivo Hall pode ser menor que a densidade de fluxo magnético dentro do núcleo. Em outras palavras, o air gap pode reduzir a eficácia do núcleo em converter corrente primária em campo magnético forte. Porém, se o comprimento do gap é pequeno comparado à área da seção transversal do gap, o efeito do fringing pode ser relativamente pequeno.

Precisamos do air gap para poder medir o campo magnético dentro do núcleo. Além disso, o air gap nos permite modificar a relutância total do núcleo. Note que corrente alta pode criar grande campo magnético dentro do núcleo e saturá-lo. Isso pode limitar a corrente máxima que pode ser medida. Ajustando o comprimento do air gap, podemos mudar o nível de saturação do núcleo. Figura 3 mostra como a densidade de fluxo magnético sensada muda com comprimento do air gap para um dado núcleo.

Figura 3. Imagem cortesia da Allegro

Com air gaps menores, alcançamos maior ganho magnético (gauss-per-ampere gain). Porém, air gap menor pode fazer o núcleo saturar em corrente relativamente menor. Portanto, o comprimento do gap afeta diretamente a corrente máxima que pode ser medida. Além do comprimento do gap, há outros fatores, como material do núcleo, dimensões e geometria, que determinam eficiência de núcleo magnético. Para mais informações sobre núcleos adequados para aplicações high-current (>200 A), consulte esta application note da Allegro.

Limitações do Open-Loop Current Sensing

Com configuração open-loop, efeitos não-ideais, como erros de linearidade e ganho, podem afetar precisão da medição. Por exemplo, se sensibilidade do sensor muda com temperatura, erro dependente de temperatura aparecerá na saída. Além disso, com open-loop current sensing, o núcleo está sujeito a saturação. Além disso, offset do sensor Hall bem como coercividade do núcleo podem contribuir para erros.

Sensoriamento de Corrente Closed-Loop

A técnica de sensoriamento de corrente Hall effect closed-loop é ilustrada na Figura 4.

Figura 4. Imagem cortesia de Cheemi-Tech

Como o nome sugere, esta técnica baseia-se em conceitos de feedback negativo. Neste caso, há um enrolamento secundário acionado pela saída do caminho de feedback. O caminho de feedback sensa o campo magnético dentro do núcleo e ajusta a corrente através do enrolamento secundário de forma que o campo magnético total do núcleo se torne igual a zero. Vamos ver como este circuito funciona.

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

\[N_p I_p = N_s I_s\]

onde N_p e N_s são respectivamente o número de espiras dos enrolamentos primário e secundário; e I_p e I_s são as correntes primária e secundária. Na Figura 4, temos N_p= 1 e \[V_{out} = R_m \times I_s\]. Logo, obtemos:

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

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

Open-Loop Versus Closed-Loop Current Sensing

O feedback negativo empregado na arquitetura closed-loop permite reduzir efeitos não-ideais como erros de linearidade e ganho. É por isso que, diferente de configuração open-loop, arquitetura closed-loop não é afetada por drift na sensibilidade do sensor. Portanto, configuração closed-loop oferece precisão superior. Sensor de corrente closed-loop é mais robusto a saturação do núcleo porque a densidade de fluxo magnético dentro do núcleo é muito pequena.

Com closed-loop sensing, o enrolamento secundário é ativamente acionado por amplificador de alta potência. Componentes adicionais empregados em arquitetura closed-loop levam a maior área de PCB, maior consumo de potência e preço mais alto.

Questão de estabilidade é outra desvantagem de sensor de corrente closed-loop. Com configuração closed-loop, precisamos derivar função de transferência do sistema e garantir que o sistema é estável. Sistema instável pode exibir overshoot ou ringing em resposta a mudança rápida na corrente de entrada. Para tornar sistema closed-loop estável, geralmente precisamos limitar sua largura de banda. Porém, reduzir largura de banda pode aumentar tempo de resposta e tornar sistema incapaz de responder a mudanças rápidas na entrada. Configuração open-loop geralmente exibe tempo de resposta mais rápido.

Note que offset do sensor Hall pode contribuir para erros tanto em configurações closed-loop quanto open-loop. Offset de elemento Hall de indium antimonide (InSb) de qualidade é tipicamente ±7 mV.

Soluções Integradas Modernas

Vale mencionar que sensores de corrente modernos baseados em efeito Hall empregam técnicas inovadoras para endereçar algumas das limitações acima. Por exemplo, o DRV411 da TI é IC de condicionamento de sinal projetado para aplicações closed-loop current sensing que usa técnica current spinning para eliminar offset e erros de drift do elemento Hall. Esta técnica é ilustrada na Figura 5.

Figura 5. Técnica current spinning usada no DRV411. Imagem cortesia da Texas Instruments

Outro exemplo é o ACS720 [PDF download link] da Allegro projetado para aplicações open-loop current sensing. O ACS720 usa algoritmos de compensação de temperatura on-chip para otimizar precisão sobre temperatura.

Figura 6. Diagrama de bloco do ACS720. Imagem cortesia da Allegro Microsystems [PDF download link]

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