Capteur à effet Hall
Les capteurs à effet Hall détectent l'intensité du champ magnétique et la direction d'un aimant permanent ou d'un électro-aimant. La sortie du capteur à effet Hall est fonction de son champ magnétique et peut détecter des champs magnétiques positifs et négatifs.
Principe de fonctionnement du capteur à effet Hall
Un champ magnétique externe active les capteurs à effet Hall. Les champs magnétiques sont représentés par la densité de flux (B) et par ses pôles magnétiques, tels que le pôle nord ou le pôle sud. Le magnétisme autour du capteur à effet Hall détermine son signal de sortie. Lorsque la densité de flux magnétique ambiant dépasse une valeur seuil prédéterminée, le capteur produit une tension Hall, VH.
Les capteurs à semi-conducteurs sont des semi-conducteurs de type P tels que l'arséniure de gallium (GaAs), l'arséniure d'indium (InAs) et l'antimonide d'indium (InSb) qui conduisent le courant continu. Le matériau semi-conducteur subit une force en présence d’un champ magnétique, provoquant le déplacement des électrons ainsi que des trous vers les côtés de la couche semi-conductrice. Lorsque les électrons et les trous se déplacent d’un côté ou de l’autre, une différence de potentiel se développe entre les différents côtés des semi-conducteurs. Dans les matériaux rectangulaires plats, un champ magnétique externe perpendiculaire au matériau semi-conducteur a un effet plus important sur la mobilité électronique.
L'effet Hall montre le type de pôle magnétique et son intensité de champ. Par exemple, il y a une tension à l’un des pôles de l’aimant, mais pas à l’autre. Les capteurs à effet Hall sont généralement « éteints » et agissent comme un circuit ouvert lorsqu’il n’y a pas de champ magnétique. Ils ne sont fermés que sous un champ magnétique fortement polarisé (circuit fermé).
Caractéristiques du capteur magnétique à effet Hall
La tension Hall (V H ) du capteur à effet Hall est fonction de l'intensité de son champ magnétique (H). La plupart des dispositifs à effet Hall commerciaux comprennent des amplificateurs CC, des circuits logiques de commutation et des régulateurs de tension pour améliorer la sensibilité du capteur et les tensions de sortie. Cela permet au capteur à effet Hall de gérer plus de puissance et de champs magnétiques.
Schéma de circuit du capteur magnétique à effet Hall
Les capteurs semi-actifs ont des sorties linéaires ou numériques. La tension de sortie du capteur linéaire est directement liée au champ magnétique circulant à travers le capteur à effet Hall et est émise par un amplificateur opérationnel.
Équation de tension à effet Hall
L'équation de la tension de sortie est donnée par :
Ici, V H désigne la tension Hall, R H désigne le coefficient d'effet Hall, I désigne le courant, t désigne l'épaisseur et B représente la densité de flux magnétique. Les capteurs linéaires ou analogiques produisent une tension constante qui augmente avec des champs magnétiques plus forts et diminue avec des champs plus faibles. Dans un capteur à effet Hall, à mesure que l'intensité du champ magnétique augmente, le signal de sortie de l'amplificateur augmente jusqu'à ce que l'alimentation sature. L'augmentation du champ magnétique provoque la saturation de la sortie mais n'a aucun effet :
Lorsque la sortie du capteur à effet Hall dépasse un niveau prédéterminé de flux magnétique qui le traverse, les contacts passent rapidement de l'état « fermé » à l'état « ouvert » sans rebondir. Cette hystérésis intégrée empêche le signal de sortie d'osciller lorsque le capteur se déplace dans le champ magnétique. Cela signifie que le capteur de sortie numérique n'a que des états « on » et « off ».
Types de capteurs à effet Hall
Les capteurs à effet Hall peuvent être de deux types : les capteurs à effet Hall bipolaires et les capteurs à effet Hall unipolaires. Les capteurs unipolaires peuvent fonctionner et se décharger lorsqu'ils entrent et sortent d'un champ magnétique ayant le même pôle magnétique sud, tandis que les capteurs bipolaires nécessitent des champs magnétiques positifs et négatifs pour fonctionner et se décharger. En raison de leurs capacités de commande de sortie 10-20 mA, la plupart des dispositifs à effet Hall ne peuvent pas commuter directement des charges à courant élevé. Pour les charges de courant élevées, un transistor NPN est ajouté à la sortie avec un arrangement à collecteur ouvert.
Applications des capteurs à effet Hall
Les capteurs à effet Hall sont allumés en présence de champs magnétiques et sont contrôlés par un seul type d'aimant permanent sur un arbre ou un gadget mobile. Pour maximiser la sensibilité, les lignes de flux magnétique doivent être perpendiculaires au champ du capteur et avec la polarisation correcte dans toutes les configurations.
1 : Détection frontale
Cela nécessite que le champ magnétique soit perpendiculaire au détecteur à effet Hall, comme indiqué ci-dessous :
Cette technique produit un signal de sortie, V H , qui mesure la densité de flux magnétique dans les dispositifs linéaires en fonction de la distance par rapport au capteur à effet Hall. La tension de sortie augmente avec la force du champ magnétique et sa proximité.
2 : Détection latérale
Cela nécessite un flux magnétique indirect pendant que l'aimant se déplace latéralement à travers l'élément à effet Hall.
Des capteurs latéraux ou mobiles peuvent mesurer la vitesse d'aimants ou de moteurs en rotation en détectant le champ magnétique glissant sur la surface de l'élément Hall à une certaine distance de l'entrefer.
Une tension de sortie linéaire positive ou négative peut être produite en fonction de la position du champ magnétique passant par la ligne centrale de champ zéro du capteur. Il détermine les mouvements verticaux et horizontaux.
3 : Contrôle de position
Le détecteur de position reste à l'état « off » lorsqu'il n'y a pas de champ magnétique. Dès que le pôle sud de l’aimant se déplace perpendiculairement à proximité du capteur à effet Hall, l’appareil s’allume et la LED s’allume. Lorsqu'il est allumé, le capteur à effet Hall est à l'état « ON ».
Pour éteindre la LED, le champ magnétique doit descendre en dessous de son point de déclenchement minimum détectable, ou il peut également être confronté au pôle nord opposé avec une valeur de gauss négative.
Conclusion
Les capteurs à effet Hall sont utilisés pour détecter la direction ainsi que la force des champs magnétiques. Ils sont utilisés dans une grande variété d'applications, notamment l'automobile, la détection de proximité, la détection frontale, latérale et de position pour différents champs magnétiques.