Como é o funcionamento dos sensores de posição angular de efeito Hall

Dentre todos os tipos de sensores utilizados para compor um veículo, os mais utilizados são os sensores Hall. O distribuidor de ignição com sensor Hall foi muito utilizado como referência de rotação e da posição da árvore de manivelas

Efeito Hall - Princípio

Quando uma corrente de valor ib circula por uma pequena pastilha de material semicondutor imerso num campo magnético de fluxo B, aparece uma voltagem Vh no sentido perpendicular ao da corrente e ao do fluxo magnético. (figura 1)

Se a corrente ib é mantida constante, a tensão Vh gerada depende do fluxo magnético B, que resulta no máximo quando incide perpendicularmente ao sentido da corrente ib e no mínimo (nulo) quando paralelo.

A tensão depende, também, da proximidade do ímã com relação à pastilha.

Como resultado, toda variação de fluxo magnético provoca variação na tensão gerada. Um aumento do fluxo magnético provoca o aumento da tensão gerada.

Assim, o sensor de efeito Hall varia sua saída em resposta a um câmbio do campo magnético com o qual interage.

Esta propriedade é utilizada na construção de sensores: de rotação, de deslocamento linear e de posição angular.

Sensor de Posição Angular

Verifica-se que, posicionando um sensor Hall próximo de um ímã solidário a um dispositivo que se movimenta, é possível medir uma tensão proporcional a distância que separa-se o dispositivo do sensor ou à orientação (ângulo) do dispositivo com relação ao sensor.

A análise do funcionamento como sensor de posição angular é feita utilizando a figura 2.

- Nas figuras 2a e 2c o fluxo resulta paralelo ao sentido da corrente pelo que a tensão gerada é nula.

- Nas figuras 2b e 2d o fluxo é perpendicular ao sentido da corrente pelo que a tensão gerada é máxima; positiva no caso da figura 2b e negativa na 2d.

- A figura 3 apresenta a onda de tensão em função da posição angular do ímã.

A figura 4 apresenta a aplicação prática dos conceitos acima, na construção de um sensor de deslocamento angular.

O ímã e o rotor com o disco magnético giram movimentados pela haste de acionamento do dispositivo mecânico, cuja posição se deseja determinar. O sensor Hall permanece fixo pelo que a tensão gerada dependerá da posição angular do ímã com relação à do sensor.

A figura 5 apresenta o esquemático do sensor com o elemento Hall de sensoriamento associado ao circuito eletrônico (montado dentro do sensor), que processa e condiciona o sinal do mesmo.

O sinal de tensão do elemento Hall é amplificado pelo amplificador A e digitalizado pelo conversor analógico/digital.

A seguir, o sinal digitalizado é processado pelo microprocessador que, como resultado, fornece o sinal Vh de saída como mostrado no gráfico da figura 6. Esta configuração apresenta uma variação de tensão quase linear para ângulos compreendidos entre +/-45O da posição de campo magnético paralelo ao elemento Hall. Nos sensores atuais tanto o amplificador, como o conversor, estão integrados no próprio microprocessador.

Os pontos críticos desta configuração são:

- Alta sensibilidade a campos magnéticos externos com efeitos não desejados;

- Alta sensibilidade à posição do sensor com relação ao ímã o que impõe tolerâncias de montagem mínimas;

- A intensidade do campo magnético gerado pelo ímã é dependente da temperatura pelo que mudanças nesta resultam em variações indesejadas da tensão de saída, o que afeta a precisão do sensor.

Para medição de ângulos maiores, até 360 graus e que elimina os pontos críticos apontados no item anterior, é utilizada a configuração da figura 7. O sensor consiste num substrato semicondutor no qual estão integrados quatro elementos Hall, posicionados dois a dois diametralmente opostos nos eixo X e Y.

Como indicado na figura, sobre os elementos Hall, um disco diametralmente magnetizado é solidário ao eixo cujo ângulo se deseja medir.

A figura apresenta o esquemático com o circuito eletrônico (integrado no próprio sensor) que condiciona os sinais gerados pelos elementos Hall.

Ao girar o disco magnetizado (figura 8), a tensão de cada elemento Hall varia em função da posição do disco, assumindo valores segundo as curvas dos gráficos de Vx1, Vx2, Vy1 e Vy2. Os amplificadores realizam, ponto a ponto, a soma das tensões e a sua amplificação, gerando as tensões Vy e Vx.

Estes sinais analógicos são digitalizados pelos conversores para serem processados pelo microprocessador aplicando uma fórmula matemática através da qual o valor do ângulo calculado independe do valor de tensão dos elementos Hall. Como resultado, é eliminada a interferência da temperatura que, como salientado no item anterior, provoca variações indesejadas na tensão gerada pelos elementos Hall.

Com o valor assim calculado, o microprocessador gera o sinal de saída do sensor que pode ser:

- Um sinal analógico de tensão que varia linearmente em função do ângulo girado.

- Um sinal de ciclo de trabalho variável (PWM) cujo ciclo de trabalho é função da posição do sensor.