Les Capteurs à Effet Hall : Comprendre le Magnétisme
Nous ne pouvons pas mettre fin à cette discussion sur le magnétisme sans mentionner les capteurs magnétiques et surtout le très utilisé capteur à effet Hall.
Le capteur à effet Hall est un type de capteur magnétique qui peut être utilisé pour détecter la force et la direction d’un champ magnétique produit par un aimant permanent ou un électroaimant, avec une sortie variant en proportion de la force du champ magnétique détecté.
Les capteurs magnétiques convertissent des informations magnétiques ou magnétiquement codées en signaux électriques pour un traitement par des circuits électroniques. Dans les tutoriels sur les capteurs et transducteurs, nous avons étudié les capteurs de proximité inductifs et le LDVT, ainsi que les actionneurs à solénoïde et à relais.
Les capteurs magnétiques sont des dispositifs à état solide qui gagnent en popularité car ils peuvent être utilisés dans de nombreux types d’applications, telles que la détection de position, de vitesse ou de mouvement directionnel.
Ils sont également un choix populaire pour les concepteurs électroniques en raison de leur fonctionnement sans contact et sans usure, leur faible entretien, leur conception robuste, et en tant que dispositifs à effet Hall étanches, ils sont immunisés contre les vibrations, la poussière et l’eau.
L’une des principales utilisations des capteurs magnétiques se trouve dans les systèmes automobiles pour la détection de position, de distance et de vitesse. Par exemple, la position angulaire du vilebrequin pour l’angle d’allumage des bougies d’allumage, la position des sièges et des ceintures de sécurité pour le contrôle des airbags ou la détection de la vitesse des roues pour le système de freinage antiblocage (ABS).
Les capteurs magnétiques sont conçus pour répondre à une large gamme de champs magnétiques positifs et négatifs dans divers types d’applications. Un type de capteur magnétique dont le signal de sortie dépend de la densité de champ magnétique qui l’entoure est appelé capteur à effet Hall.
Les capteurs à effet Hall sont des dispositifs activés par un champ magnétique externe. Nous savons qu’un champ magnétique a deux caractéristiques importantes : la densité de flux (B) et la polarité (pôles Nord et Sud).
Le signal de sortie d’un capteur à effet Hall est la fonction de la densité de champ magnétique entourant le dispositif. Lorsque la densité de flux magnétique autour du capteur dépasse un certain seuil prédéfini, le capteur le détecte et génère une tension de sortie appelée Tension Hall, VH. Considérez le diagramme ci-dessous.
Principes du Capteur à Effet Hall
Les capteurs à effet Hall sont constitués essentiellement d’une fine pièce de matériau semi-conducteur rectangulaire, tel que l’arséniure de gallium (GaAs), l’antimonure d’indium (InSb) ou l’arséniure d’indium (InAs), traversée par un courant continu.
Lorsque le dispositif est placé dans un champ magnétique, les lignes de flux magnétique exercent une force sur le matériau semi-conducteur, déviant les porteurs de charge, les électrons et les trous, vers chaque côté de la plaque semi-conductrice. Ce mouvement des porteurs de charge est le résultat de la force magnétique qu’ils ressentent en traversant le matériau semi-conducteur.
Au fur et à mesure que ces électrons et ces trous se déplacent latéralement, une différence de potentiel est produite entre les deux côtés du matériau semi-conducteur par l’accumulation de ces porteurs de charge. Le mouvement des électrons à travers le matériau semi-conducteur est ensuite affecté par la présence d’un champ magnétique externe qui est perpendiculaire à lui, effet qui est plus important dans un matériau de forme rectangulaire plate.
L’effet de générer une tension mesurable en utilisant un champ magnétique est appelé Effet Hall, du nom d’Edwin Hall qui l’a découvert dans les années 1870, le principe physique sous-jacent à l’effet Hall étant la force de Lorentz. Pour générer une différence de potentiel à travers le dispositif, les lignes de flux magnétique doivent être perpendiculaires (90o) au courant et être de la polarité correcte, généralement un pôle sud.
L’effet Hall fournit des informations concernant le type de pôle magnétique et l’amplitude du champ magnétique. Par exemple, un pôle sud provoquerait la production d’une tension de sortie par le dispositif, tandis qu’un pôle nord n’aurait aucun effet. Généralement, les capteurs et interrupteurs à effet Hall sont conçus pour être en position « OFF » (état de circuit ouvert) lorsque aucun champ magnétique n’est présent. Ils ne s’allument que lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique d’une force et d’une polarité suffisantes.
Capteur Magnétique à Effet Hall
La tension de sortie, appelée tension Hall (VH), de l’élément Hall de base est directement proportionnelle à la force du champ magnétique traversant le matériau semi-conducteur (sortie ∝ H).
Cette tension de sortie peut être très faible, de seulement quelques microvolts, même lorsqu’elle est soumise à des champs magnétiques puissants. C’est pourquoi la plupart des dispositifs à effet Hall disponibles commercialement sont fabriqués avec des amplificateurs à courant continu intégrés, des circuits de commutation logicielle et des régulateurs de tension pour améliorer la sensibilité, l’hystérésis et la tension de sortie des capteurs.
Cela permet également au capteur à effet Hall de fonctionner sur une plus grande plage de tensions d’alimentation et de conditions de champ magnétique.
Le Capteur à Effet Hall
Les capteurs à effet Hall sont disponibles avec des sorties linéaires ou numériques. Le signal de sortie pour les capteurs linéaires (analogiques) est directement tiré de la sortie de l’amplificateur opérationnel, la tension de sortie étant directement proportionnelle au champ magnétique traversant le capteur Hall. Cette tension Hall est donnée par :
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Les capteurs linéaires ou analogiques fournissent une tension de sortie continue qui augmente avec un champ magnétique fort et diminue avec un champ magnétique faible. Dans les capteurs à effet Hall à sortie linéaire, à mesure que la force du champ magnétique augmente, le signal de sortie de l’amplificateur augmentera aussi jusqu’à ce qu’il commence à se saturer par les limites imposées par l’alimentation. Toute augmentation supplémentaire du champ magnétique n’aura aucun effet sur la sortie, mais la conduira davantage dans la saturation.
Les capteurs à sortie numérique, d’autre part, ont un déclencheur Schmitt avec une hystérésis intégrée connecté à l’amplificateur opérationnel. Lorsque le flux magnétique passant par le capteur Hall dépasse une valeur prédéfinie, la sortie du dispositif bascule rapidement entre son état « OFF » et un état « ON » sans qu’il y ait un rebond de contact.
Cette hystérésis intégrée élimine toute oscillation du signal de sortie lorsque le capteur entre et sort du champ magnétique. Les capteurs à sortie numérique n’ont donc que deux états, « ON » et « OFF ».
Il existe deux types principaux de capteur à effet Hall numérique, Bipolaire et Unipolaire. Les capteurs bipolaires nécessitent un champ magnétique positif (pôle sud) pour fonctionner et un champ négatif (pôle nord) pour se libérer, tandis que les capteurs unipolaires n’ont besoin que d’un seul pôle magnétique sud pour fonctionner et se libérer en entrant et sortant du champ magnétique.
La plupart des appareils à effet Hall ne peuvent pas switcher directement de grandes charges électriques car leurs capacités de sortie sont très faibles, autour de 10 à 20 mA. Pour des charges de courant élevées, un transistor NPN à collecteur ouvert (sinking) est ajouté à la sortie.
Ce transistor fonctionne dans sa région de saturation comme un commutateur de sink NPN qui court-circuite la borne de sortie à la terre chaque fois que la densité de flux appliquée est supérieure à celle du seuil prédéfini « ON ».
Le transistor de commutation de sortie peut être soit un transistor à émetteur ouvert, une configuration de transistor à collecteur ouvert ou les deux, fournissant une configuration de type push-pull qui peut passer suffisamment de courant pour piloter directement de nombreuses charges, y compris des relais, des moteurs, des LED et des lampes.
Applications des Effets Hall
Les capteurs à effet Hall sont activés par un champ magnétique et dans de nombreuses applications, le dispositif peut être actionné par un seul aimant permanent attaché à un arbre ou à un dispositif mobile. Il existe de nombreux types de mouvements d’aimants, tels que la détection « tête-à-tête », « latérale », « pousse-tire » ou « pousse-pousse », etc.
Peu importe le type de configuration utilisé, pour garantir une sensibilité maximale, les lignes de flux magnétique doivent toujours être perpendiculaires à la zone de détection du dispositif et doivent être de la polarité correcte.
De plus, pour garantir la linéarité, des aimants à haute intensité de champ sont nécessaires, produisant un large changement de force de champ pour le mouvement requis. Il existe plusieurs chemins possibles de détection d’un champ magnétique, et ci-dessous deux des configurations de détection les plus courantes utilisant un seul aimant : Détection Tête-à-tête et Détection Latérale.
Détection Tête-à-tête
Comme son nom l’indique, la « détection tête-à-tête » nécessite que le champ magnétique soit perpendiculaire au dispositif de détection à effet Hall et que, pour la détection, il s’approche du capteur directement vers la face active. Une sorte d’approche “tête-à-tête”.
Cette approche tête-à-tête génère un signal de sortie, VH, qui dans les dispositifs linéaires représente la force du champ magnétique, la densité de flux magnétique, en fonction de la distance par rapport au capteur à effet Hall. Plus le champ magnétique est proche et donc plus fort, plus la tension de sortie est élevée, et vice versa.
Les dispositifs linéaires peuvent également différencier entre les champs magnétiques positifs et négatifs. Les dispositifs non linéaires peuvent être configurés pour déclencher la sortie « ON » à une distance d’écart d’air prédéfini du magnétiseur pour indiquer une détection de position.
Détection Latérale
La seconde configuration de détection est « la détection latérale ». Cela nécessite de déplacer l’aimant le long de la face de l’élément à effet Hall dans un mouvement latéral.
La détection latérale ou détection coulissante est utile pour détecter la présence d’un champ magnétique alors qu’il se déplace sur la face de l’élément Hall dans une distance d’écart d’air fixe, par exemple, pour compter des aimants rotatifs ou la vitesse de rotation des moteurs.
En fonction de la position du champ magnétique alors qu’il passe par la ligne médiane de champ nul du capteur, une tension de sortie linéaire représentant à la fois une sortie positive et négative peut être produite. Cela permet de détecter un mouvement directionnel, qui peut être vertical ainsi que horizontal.
Il existe de nombreuses applications pour les capteurs à effet Hall, notamment en tant que capteurs de proximité. Ils peuvent être utilisés à la place de capteurs optiques et de lumière lorsque les conditions environnementales comportent de l’eau, des vibrations, de la saleté ou de l’huile, comme dans les applications automobiles. Les dispositifs à effet Hall peuvent également être utilisés pour la détection de courant.
Nous savons des tutoriels précédents que lorsqu’un courant passe à travers un conducteur, un champ électromagnétique circulaire se produit autour de lui. En plaçant le capteur Hall à proximité du conducteur, des courants électriques allant de quelques milliampères à des milliers d’amperes peuvent être mesurés à partir du champ magnétique généré sans avoir besoin de transformateurs ou de bobines grands ou coûteux.
En plus de détecter la présence ou l’absence d’aimants et de champs magnétiques, les capteurs à effet Hall peuvent également être utilisés pour détecter des matériaux ferromagnétiques tels que le fer et l’acier en plaçant un petit aimant permanent « de polarisation » derrière la zone active de chaque dispositif. Le capteur se trouve maintenant dans un champ magnétique permanent et statique, et tout changement ou perturbation de ce champ magnétique dû à l’introduction d’un matériau ferromagnétique sera détecté avec une sensibilité pouvant atteindre mV/G.
Il existe plusieurs façons d’interfacer les capteurs à effet Hall aux circuits électriques et électroniques, selon le type de dispositif, qu’il soit numérique ou linéaire. Un exemple très simple et facile à construire consiste à utiliser une diode électroluminescente (LED) comme montré ci-dessous.
Indicateur de Position
Ce détecteur de position tête-à-tête sera « OFF » lors de l’absence de champ magnétique (0 gauss). Lorsque le pôle sud de l’aimant permanent (gauss positif) est déplacé perpendiculairement vers la zone active du capteur à effet Hall, le dispositif passe « ON » et éclaire la LED. Une fois activé, le capteur à effet Hall reste « ON ».
Pour éteindre le dispositif et donc la LED, le champ magnétique doit être réduit en dessous du point de libération pour les caps unipolaires ou exposé à un pôle nord magnétique (gauss négatif) pour les caps bipolaires. La LED peut être remplacée par un plus gros transistor de puissance si la sortie du capteur à effet Hall doit être utilisée pour commuter de plus grandes charges de courant.