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Sensor

Calculadora de sensor de efeito Hall

Calcule a tensão Hall, o coeficiente Hall e a sensibilidade para sensores de efeito Hall. Útil para medição de campo magnético, detecção de corrente e detecção de posição.

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Fórmula

VH=RH⋅I⋅Bt,RH=1n⋅eV_H = \frac{R_H \cdot I \cdot B}{t}, \quad R_H = \frac{1}{n \cdot e}
V_H— Tensão do hall (V)
R_H— Coeficiente Hall (m³/C)
I— Corrente de controle (A)
B— Densidade do fluxo magnético (T)
t— Espessura do elemento (m)
n— Densidade do portador de carga (m⁻³)
e— Carga elementar (1.602×10^¹) (C)

Como Funciona

Esta calculadora calcula a tensão Hall a partir do campo magnético e dos parâmetros de corrente, essenciais para engenheiros de controle de motores, projetistas de sensores de posição e desenvolvedores de sistemas de medição atuais. O efeito Hall gera uma tensão transversal em um condutor quando o campo magnético B é perpendicular à corrente I: Vh = Rh I B/t, onde Rh é o coeficiente Hall (1/ (n*e) para metais, varia para semicondutores), n é densidade portadora, e = 1,602176634e-19 C (SI exato) e t é a espessura do material. Para semicondutores, Vh = I B/(n e * t), normalmente produzindo 1-100 mV por Tesla. O antimoneto de índio (InSb) fornece a maior sensibilidade a 2,5 mV/mt devido à alta mobilidade eletrônica (78.000 cm^2/V-s por NIST), enquanto os sensores de silício oferecem linearidade de +/- 1% acima de +/- 1000 mT. Os ICs Hall integrados (Allegro, Infineon, Melexis) combinam o elemento sensor com o condicionamento de sinal, fornecendo saída analógica (20-40 mV/mt), PWM digital ou interface digital I2C/SPI. O coeficiente de temperatura é normalmente de -0,04% /C para InSb e -0,06% /C para silício, exigindo compensação para aplicações de precisão de acordo com as notas de aplicação do sensor AMS.

Exemplo Resolvido

Problema: projete um sensor de corrente de efeito Hall para 0-100A DC usando um IC Hall linear Melexis MLX91208. O circuito magnético fornece 20 mT a 100A. O ADC é de 12 bits com referência de 3,3V.

Solução:

  1. Sensibilidade do sensor: 50 mV/mt (da folha de dados MLX91208, ganho 50)
  2. Campo em grande escala: B = 20 mT a 100A -> 0,2 mT/a
  3. Saída em grande escala: Vout = 50 mV/mt * 20 mT = 1,0 V (mais 1,65 V quiescente)
  4. Faixa de saída: 1,65V (0A) a 2,65V (100A) a 0,65V (-100A bidirecional)
  5. Resolução ADC: 3,3 V/4096 = 0,806 mV/lsb
  6. Resolução atual: 0,806 mV/50 mV/mt/0,2 mt/A = 80,6 mA/LSB
  7. Desvio de temperatura em +/- 50C: 0,06% /C * 50C = 3% = 3A de erro em grande escala
  8. Largura de banda: 120 kHz (-3 dB), adequada para detecção de PWM de controle de motor
Resultado: O MLX91208 com concentrador de fluxo de 20 MT/100A atinge uma resolução de 81 mA. A compensação de temperatura reduz o desvio de 3% para < 0,5% por algoritmo da folha de dados do sensor.

Dicas Práticas

  • ✓Para detecção de corrente, use sensores de corrente Hall integrados (Allegro ACS712, LEM HLSR) que incluem o concentrador magnético, fornecendo sensibilidade de 66-185 mV/A com +/- 1,5% de precisão total de acordo com a folha de dados do ACS712
  • ✓Calibre medindo a saída em intensidades de campo magnético conhecidas usando um Gaussmeter rastreável de acordo com os padrões NIST; compense o deslocamento e o desvio de ganho usando calibração de dois pontos a 25°C e temperaturas operacionais extremas
  • ✓Para detecção de posição em ambientes hostis, os ICs Hall em pacotes SOIC-8 suportam uma faixa de temperatura automotiva de -40 a +150° C de acordo com a qualificação AEC-Q100

Erros Comuns

  • ✗Negligenciando a dependência da temperatura da densidade da portadora: a concentração da portadora InSb aumenta 3% /C, fazendo com que a sensibilidade diminua; sensores Hall não compensados variam de 2 a 5% na faixa de -40 a +85C, de acordo com a nota de aplicação da Infineon AN-MRS
  • ✗Assumindo um campo magnético uniforme: efeitos de borda e vazamento de fluxo reduzem o campo efetivo em 10 a 30%; calibre com o circuito magnético real, não com cálculos teóricos baseados na lei de Ampère
  • ✗Conversão de unidade incorreta: B em Tesla, não Gauss (1 T = 10.000 G); I em Amperes; t em metros, não mm; Vh em Volts. Unidades confusas causam erros de 1000 vezes

Perguntas Frequentes

O antimoneto de índio (InSb) oferece a maior sensibilidade (2,5 mV/mt, mobilidade eletrônica 78.000 cm^2/V-s), mas é limitado a +85C. O arsenieto de gálio (GaAs) fornece sensibilidade de 1,0 mV/mt com operação a +150C. Sensores integrados baseados em silício oferecem +/- 1% de linearidade, operação de +150C e condicionamento de sinal integrado ao menor custo de acordo com a Allegro MicroSystems. Para aplicações criogênicas, as ligas de bismuto-antimônio operam abaixo de 4K de acordo com a nota técnica 1297 do NIST.
A tensão Hall diminui com a temperatura devido ao aumento da densidade do portador (mais portadores = menor coeficiente Hall). Normalmente, o InSb deriva -0,04% /C, o silício deriva -0,06% /C. Acima da faixa de 100C, isso é um erro não compensado de 4-6%. Os ICs Hall integrados incluem sensores de temperatura no chip e compensação polinomial, reduzindo o desvio para +/ -0,1% /C por planilhas de dados Melexis e Allegro. Para aplicações de precisão, a medição externa de temperatura e a compensação de software alcançam uma precisão de +/- 0,05%.

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