Qu'est-ce qu'un capteur à effet Hall : principe de fonctionnement, construction et méthodes d'essai

Les capteurs sont des transducteurs d'une grandeur physique en une autre (généralement une grandeur électrique) et sont largement utilisés dans les appareils ménagers et industriels. Sans eux, il est très difficile, voire impossible, de mesurer, de numériser et de traiter des paramètres de processus tels que la pression et le débit (de gaz ou de liquide), températurepression, niveau, intensité du champ magnétique ou électrique, etc. L'un des capteurs les plus répandus est le capteur à effet Hall - il est utilisé aussi bien dans les applications domestiques (à commencer par les smartphones ou les ordinateurs portables) que dans les équipements industriels les plus sophistiqués.

L'effet Hall - principe de fonctionnement

Cet effet a été découvert en 1879 par le physicien américain Edwin Hall et porte son nom. L'essence du phénomène est la suivante : si vous prenez une plaque métallique et que vous y faites passer un courant électrique (dans la direction AB sur la figure), puis que vous agissez sur la plaque avec un champ magnétique, tel que celui créé par un aimant permanent, une différence de potentiel apparaîtra dans la direction perpendiculaire au passage du courant (CD sur la figure).

Cet effet est dû à la force de Lorentz qui agit sur les charges mobiles et les déplace dans une direction perpendiculaire à la direction du mouvement. Il en résulte une différence de potentiel sur les bords de la plaque, qui peut être mesurée ou utilisée pour actionner des actionneurs (par amplification). Cette différence dépend de :

• l'intensité du courant qui circule ;
• l'intensité du champ magnétique ;
• la concentration de porteurs de charges libres dans le conducteur.

Le phénomène porte le nom de son découvreur : l'effet Hall.

Types et construction des capteurs à effet Hall

Cet effet, qui a été découvert au siècle dernier, a trouvé une application pratique. C'est la base des capteurs de champ magnétique. Leur avantage est qu'ils n'ont pas d'éléments mobiles ou de frottement (contrairement aux interrupteurs à lames), leur fiabilité est donc beaucoup plus élevée. Selon leur principe de sensibilité capteurs industriels Les capteurs à effet Hall sont divisés en :

• unipolaire (ne réagit qu'à un seul pôle magnétique - nord ou sud) ;
• bipolaire (activé par un champ magnétique de même polarité, désactivé par un champ magnétique de polarité opposée) ;
• omnipolaire - répond à l'un ou l'autre des pôles d'un aimant.

La différence de potentiel créée par un champ magnétique agissant sur des charges en mouvement est de l'ordre de l'unité, au mieux des dizaines de microvolts. Cela ne suffit pas pour les applications pratiques, la différence de potentiel doit être amplifiée. Ces amplificateurs sont intégrés directement dans le boîtier du capteur, et les appareils sont divisés en deux classes selon le type d'amplificateur.

1. Analogique. La tension à la sortie du capteur est proportionnelle au champ magnétique (elle dépend de la force de l'aimant et de la distance par rapport à celui-ci). Ils sont basés sur des amplificateurs opérationnels et peuvent être utilisés pour mesurer les champs magnétiques.
2. Numérique. Après l'amplificateur, le comparateur ou un trigger de Schmitt. La tension de sortie passe de zéro à un niveau élevé (généralement au niveau de la tension d'alimentation) lorsque l'induction magnétique atteint un certain seuil. Ces capteurs sont utilisés pour construire des relais magnétiques ou des générateurs d'impulsions. Le signal amplifié de la plaque est envoyé au dispositif de seuil. Lorsque le niveau défini est atteint, le capteur se déclenche. Le niveau de réponse peut être ajusté en modifiant la distance entre le capteur et la source du champ magnétique.

Applications des capteurs à effet Hall

L'application la plus courante des capteurs à effet Hall dans la maison est celle des systèmes d'allumage sans contact pour les véhicules. Ils présentent l'avantage de ne pas comporter de groupes de contact mécaniques. Cela signifie qu'il n'y a pas d'usure, pas de brûlure des contacts et pas de risque de panne mécanique.

Le système de distribution contient une plaque avec des projections, entraînée par le vilebrequin du moteur, un aimant permanent et le capteur de Hall lui-même. Lorsque le plateau tourne, les projections frappent l'espace entre le capteur et l'aimant à un moment précis, défini par la position du vilebrequin, modifiant ainsi le champ magnétique. Le capteur génère des impulsions, synchronisées avec la rotation du vilebrequin, qui régulent la tension appliquée à la bobine haute tension aux moments requis. Des capteurs de champ magnétique dans le véhicule sont également utilisés pour détecter la position du vilebrequin.

Une autre utilisation des capteurs magnétiques consiste à déterminer la position des rotors de moteurs électriques. L'élément de relais est fixé au stator du moteur et est déclenché lors du passage du pôle. Ce principe peut être utilisé pour construire un compteur de vitesse ou un compteur de vitesse.

Les dispositifs basés sur l'effet Hall sont utilisés dans les ordinateurs portables ou les appareils mobiles - comme indicateur de la position fermée du couvercle. Lorsque le capteur est déclenché, l'ordinateur se met en veille ou s'éteint. Et dans les smartphones, l'une des fonctions d'un capteur qui réagit au champ magnétique terrestre est d'organiser le fonctionnement d'une boussole électronique.

Les capteurs Hall analogiques sont utilisés dans les instruments de mesure, où il est nécessaire d'évaluer le champ magnétique. Ils sont indispensables pour mesurer sans contact le flux de courant dans un conducteur. Comme vous le savez, lorsqu'un courant circule dans un conducteur, un champ magnétique est généré autour de celui-ci. Sa force dépend de l'intensité du courant. Si le courant est alternatif, le champ peut être mesuré par d'autres moyens (par exemple, un transformateur de courant), mais avec un courant continu, un capteur à effet Hall est indispensable. C'est le principe sur lequel fonctionnent les pinces à courant continu.

L'application la plus exotique de l'effet Hall est la construction de moteurs-fusées ioniques basés sur son principe.

Comment tester un capteur de Hall

Pour tester le capteur, vous pouvez assembler un circuit simple, qui, outre le capteur lui-même, nécessite

• Une alimentation électrique de la bonne tension ;
• une résistance résistance d'environ 1 kΩ ;
• LED ;
• aimant.

Si aucune LED n'est disponible, on peut utiliser un multimètre à la place (et une résistance de limitation du courant). multimètre (compteur numérique ou multifonction) en mode de mesure de la tension.

Il n'y a pas d'exigences particulières pour l'alimentation électrique - les courants dans le circuit sont assez faibles. Sa tension doit être comprise dans la tension d'alimentation du capteur testé. Connectez la LED avec son anode au côté plus de la source de tension, avec sa cathode à la sortie du dispositif testé, car le capteur est généralement fait avec un collecteur ouvert (mais il est préférable de vérifier avec la fiche technique).

La procédure de test dépend du type d'appareil testé.

1. Pour tester un capteur numérique unipolaire, tenez un aimant avec un pôle vers le capteur. La LED doit s'allumer (la flèche du voltmètre doit dévier ou la lecture du testeur numérique doit changer à pas de géant). Le circuit doit revenir à sa position initiale lorsque l'aimant est retiré d'une distance considérable. Si le capteur ne fonctionne pas, tournez l'aimant dans l'autre sens et répétez la procédure. Si le voyant clignote, le capteur fonctionne. S'il n'y a pas de succès dans l'une ou l'autre des positions de l'aimant, le dispositif est impropre à l'utilisation.
2. Le capteur numérique bipolaire est testé selon une méthode similaire, sauf que la LED s'allume à une position de l'aimant et ne s'éteint pas lorsque la source de champ magnétique est retirée. Le circuit ne doit pas répondre à une nouvelle manipulation avec le même pôle. Si vous inversez l'aimant et l'amenez au capteur dans la polarité opposée, la LED doit s'éteindre. Cela indique que l'appareil testé fonctionne correctement. Si le circuit ne fonctionne pas, c'est que le capteur est défectueux.
3. Un capteur Hall numérique omnipolaire est testé de la même manière qu'un capteur unipolaire, mais le dispositif sensible à l'aimant doit se déclencher à n'importe quelle position de l'aimant.

Les capteurs analogiques sont testés en utilisant la même méthodologie que les capteurs numériques, mais la tension de sortie ne doit pas changer brusquement, mais de façon régulière lorsque la force magnétique augmente (par exemple, en approchant un aimant permanent ou en augmentant le courant dans l'enroulement de l'électroaimant).

Sur le plan pratique, une question intéressante est de savoir comment vérifier le capteur de Hall installé dans le système d'allumage sans contact d'une voiture. Pour ce faire, retirez le connecteur du capteur et montez le circuit indiqué directement sur les broches.

Ici aussi, la LED peut être remplacée par un multimètre. En tournant manuellement le vilebrequin de la voiture, vous pouvez observer des clignotements intermittents de la DEL ou des changements de la tension de sortie, de zéro à environ la tension de bord de la voiture. Une autre façon de vérifier dans le garage est de remplacer temporairement le dispositif par un capteur de rechange en bon état connu.

Le capteur à effet Hall a trouvé une large utilisation dans les applications domestiques et industrielles. Il n'est pas difficile de le vérifier si vous avez une bonne compréhension de son fonctionnement.

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