Senseur à Effet Hall

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Demande d'autorisation spécifique auprès de Melexis en cours.

Introduction

Les senseurs à Effet Hall permettent de détecter si un aimant est a proximité. Ils sont très utiles pour constituer un senseur SANS contact et résistant à l'eau. Ils peuvent aussi servir comme senseur de position, encodeur, détection de rotation.

Comme le dit si bien AdaFruit (notre fournisseur) "Parmi les nombreux senseurs à effet Hall disponibles sur le marché, l'un des meilleurs est certainement le US5881LUA (ou l'un de ses petits frères) de Melexis"

L'effet Hall

La tension de Hall peut être calculée comme VHall = σB où

VHall = Champ Electro Magnétique en volts
σ= Sensibilité en Volts/Gauss
B= Le champ magnétique appliqué en Gauss
I= Courant induit (bias current)

Initialement la première utilisation de cette découverte fût axée sur la classification périodique des éléments chimiques. Le développement des semi-conducteurs indium arsenic en 1950 à conduit à la création des premiers instruments à effet Hall utiles. Les senseurs à effet Hall permettait de mesurer des champs magnétiques continu ou static mais nécessitaient que le senseur soit en mouvement. En 1960 la popularisation des semi-conducteurs au silicium conduisit à la création des premiers composants combinant un capteur à Effet Hall et un amplificateur opérationnel. Cela produisit ce qui nous appelons classiquement aujourd'hui un Switch Effet Hall à sortie digital (digital output Hall switch).

La constante évolution de la technologie des transducteurs Hall à vus la progression des composants à élément simple vers des composants à doubles éléments orthogonaux. Cela fut réalise pour diminuer la différence de potentiel Hall aux bornes. La progression suivante amena la création des transducteurs quadratique à 4 éléments. Ces 4 éléments sont arrangés orthogonalement dans une configuration de pont (bridge). Tous ces senseurs capteurs au silicium sont créés a partir de jonctions bipolaire.

Un passage vers une technologie CMOS permit la mise en place d'une stabilisation des vibrations dans la partie amplificatrice du composant. Cela permit de réduire la différence de potentiel d'erreur à l'entrée de l'amplificateur opérationnel. Toutes les erreurs se produisant dans les circuits non stabilisés produit des erreurs d'enclenchement (à la sortie digitale) ou erreur de différence de potentiel ou de gain sir les senseur à sortie linéaire.

La génération de courant dans un senseur CMOS (à effet Hall) inclus également un mécanisme qui dirige activement le courant dans les élément à effet Hall. Ce mécanisme élimine les différences de potentiels parasites (d'erreurs) typique aux éléments des semi-conducteurs à effet Hall. Il compense également la température et les inductions produites pas les différences de potentiels parasites.

Toutes ces améliorations conduisent à des senseurs à effet Hall fiable. Le futur verra apparaître des senseurs programmable (incluant un micro-controleur) permettant de créer des senseurs "intelligents".

Fonctionnement du senseur

Le senseur à effect Hall n'est pas activé (OFF) lorsqu'il n'y a pas de champ magnétique. Il s'active (ON) en présence d'un champ magnétique comme présenté sur les deux figures suivantes.

Le champs magnétique terrestre n'influence pas le senseur à effet Hall (celui que nous présentons ici). Certains aimant de frigo peuvent fournir un champ magnétique suffisant pour activer le senseur.

Le senseur est inactif en l'absence de champ magnétique.

Le senseur s'active lorsqu'un champ magnétique de type SUD est présenté sur la face avant du senseur.

Montage Arduino

Les montages présentés sur cette page sont basé sur le senseur Effet Hall US5881LUA disponible chez MC Hobby.

Le US5881LUA fonctionne avec une tension d'alimentation de 3.5V à 24V.

Le US5881LUA, US8334, US8429, ... senseur uni-polaire

le senseur Effet Hall US5881LUA (et ses autres modèles) est un senseur uni-polaire, quand le pôle SUD d'un aimant passe à proximité de la face avant du senseur, le senseur est activé.

Il ne se passe donc rien si c'est le pôle nord de l'aimant qui passe devant la partie sensible.

Résistance Pull-Up et logique

Le senseur utilise une résistance pull-up.

Cela signifie que lorsqu'il n'est pas activé (donc pas de présence de champ magnétique), la tension de la pin 3 du senseur est celle imposée par la résistance Pull-up (dans notre cas, celle de l'alimentation).

Lorsque le senseur est activé (en présence d'un champs mangétique), la pin 3 est ramenée au potentiel de GND (soit 0 Volts).

Pour résumé:

Champ magnétique-> Senseur Activé -> Pin 3 = 0 Volts
Pas de magnétique -> Senseur désactivé -> Pin 3 = +Vcc

Plan

Connectez l'alimentation sur la pin 1 (sur la gauche), la masse/GND sur la pin 2 (milieu) et finalement, une résistance Pull-up de 10K Ohms de la pin 3 vers l'alimentation.

Ensuite, surveillez la tension sur la pin 3, quand le pôle SUD d'un aimant passe a proximité de la face avant du senseur, la pin 3 passe à 0 volts. Sinon, la tension est celle imposée par la résistance pull up (donc celle de l'alimentation).

Montage réel

Code Arduino

 /* Senseur à Hall Effect 
 
 Allume ou éteind une LED connectée sur la pin digitale 13 en fonction  
 de l'activation d'un senseur à Effet Hall US5881LUA sensible au champ 
 magnétique.
 
 Le senseur Effet Hall US5881LUA est disponible chez MC Hobby
    http://shop.mchobby.be/product.php?id_product=86 
 Les aimants surpuissant de Rare Earth sont aussi disponibles chez MC Hobby
    http://shop.mchobby.be/product.php?id_product=87 
 .
 
 Le circuit:
 * LED connectée à la masse (GND) et à la pin 13 par l'intermédiaire d'une résistance de 330 Ohms.
 * Le senseur Effet Hall US5881LUA est connecté comme suit:
     Pin 1: +5v
     Pin 2: Masse/GND
     Pin 3: +5V via une résistance pull-up de 10 KOhms
            MAIS AUSSI
            sur la PIN 2 d'Arduino (pour lecture du senseur)
 * Exemple de circuit, plan sur 
     http://mchobby.be/wiki/index.php?title=Senseur_à_Effet_Hall

 created 2012
 by Meurisse D. - http://www.MCHobby.be (vente de matériel et Kit)
 Licence BY-CC-SA 
 Mentionner explicitement "MCHobby vente de matériel et Kit" .

 */

const int ledPin = 13; 
const int hallPin = 2;

int sensorValue; 

void setup(){
  pinMode( ledPin, OUTPUT ); 
  pinMode( hallPin, INPUT );
}

void loop() {
  // lecture du capteur a Effet Hall
  sensorValue = digitalRead( hallPin );
  
  // senseurValue = HIGH sans aimant
  // senseurValue = LOW  quand POLE SUD aimant
  sensorValue = not( sensorValue );
  
  // Allumer eteindre la LED
  digitalWrite( ledPin, sensorValue );
}

Résultat

Voici un petit aperçu du résultat en vidéo.

Notez que les aimants Rare Earth sont tellement puissance que le fil est attiré lorsque l'aimant approche :-)

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Note: il faut approcher le pole SUD vers le senseur... mais aussi sur la face avant du senseur (seule partie sensible).

Montage Raspberry

Le montage et exploitation de ce senseur sur Raspberry est abordé dans cet article

Mise en oeuvre - NON ROTATIF

Voici quelques exemple de mise en oeuvre (en situation) de ce superbe composant.

Déplacement latéral

Dans la Figure 2A, le pole magnétique SUD est trop loin et, par conséquent, senseur reste inactif.

Dans la Figure 2B, le pole magnétique SUD active le senseur.

Le graphique ci-dessous présente variation de champ magnétique en fonction de la distance (en déplacement latéral). Sur le graphique, la distance s'exprime en millièmes de pouces (25.4mm/1000).

Le graphique présente également plusieurs courbes... en fonction de la distance/éloignement (en pouce, 1 pouce = 25.4mm) entre la face avant du senseur et l'aimant.

Détecteur de proximité

Dans la figure 3A, le pole magnétique SUD est proche du senseur à effet Hall. Le senseur est donc activé (ON).

Dans le figure 3B, le pole magnétique SUD s'est déplacé trop loin. Le senseur est désactivé (OFF).

Milieu scellé

Un actuateur invisible ou scellé (par exemple dans une gaine thermo-retractable étanche) peut être réalisé avec un senseur à effet Hall. Le senseur peut être scellé dans conteneur permettant de fonctionner dans des environnement comme l'eau, l'huile, etc.

Il faut seulement que le container (ex: gaine thermo) soit perméable au champ magnétique (ou laisse une ouverture permettant au champs magnétique de passer).

Interruption magnétique

Dans la figure 5A, le pole magnétique SUD peut atteindre le senseur à effet Hall par l'intermédiaire de la fenêtre. Le senseur est donc actif (ON).

Dans le figure 5B, le senseur est inactif (OFF) parce que le champ magnétique est bloqué par un obstacle ferreux.

Mise en oeuvre - ROTATIF

Le senseur peut être incorporé en tant qu'interrupteur dans des applications de vitesses ou de positionnement de type rotatif.

Interruption magnétique rotative

L'interrupteur rotatif à Effet Hall, présenté à la figure 6, utilise une roue dentée (équipée de fenêtres/ouvertures) qui permet au champ magnétique SUD d'atteindre le senseur (par la fenêtre). Entre deux fenêtres, une pièce en métallique bloque le champ magnétique, le senseur a effet Hall est donc inactif (OFF).

Durant l'espace (trou, fenêtre) dans la pièce métallique, le pole SUD magnétique active le senseur a effet Hall (ON). C'est un principe répandu dans le démarrage automobile et processus industriel où la connaissance précise de la position est un élément critique.

Champs magnétique Rotatif

Le senseur activé par un champ magnétique rotatif à la figure 7 est généralement utilise pour mesurer la vitesse de rotation pour synchroniser les impulsions avec une position. Le senseur est activé par la rotation de l'aimant. Le senseur s'active (ON) quand le pôle SUD passe devant le senseur à effet Hall. Le senseur se désactive (OFF) lorsque le pôle nord de l'aimant passe devant le senseur.

Un aimant circulaire solide tel que présenté sur la figure 7A est appelé un anneau magnétique (Ring Magnet). Un anneau magnétique contient des poles Nord et Sud en alternance. Ce type d'aimant peut avoir de 2 pôles magnétique à 36 pôles magnétique (or plus en fonction de la taille).

Le graphique ci-dessous illustre la transistion entre pole Nord et Pole Sud à différentes distances (distance aimant - senseur).

Notez que le point de transition est vraiment similaire quelque soit la distance entre le senseur et l'aimant.

Exemple d'applications

Voici quelques exemple d'applications issus du document de Melexis (fournisseur du senseur US5881LUA).

Détection de Niveau - Mouvement

Un aimant particulier est suspendu au dessus du senseur. Le senseur est activé dès que l'assemblage n'est plus de niveau (ou déplacé).

Senseur de Courant

Un senseur à effet Hall peut être utilisé conjointement avec un électro-aimant pour constituer un senseur de courant très efficace et isolé. Cela peut être utilisé pour protéger des composants contre des dommages occasionnés par des surcharge.

Les seuls composants nécessaires (voir figure 13) sont un senseur à Effet Hall et un toroid en ferrite.

En modifiant le nombre de spirales, il est possible de détecter des courants aussi petit que 100mA ou aussi grand que 500A.

Truc et astuce:

Si vous utilisez un senseur à Effet-Hall linéaire, la tension de sortie du senseur sera proportionnelle au courant circulant dans les spirales enroulées sur le toroïde. Cette tension peut être utilisée comme une indication du courant... pour activer une évènement ou couper un circuit.

Mesure de Flux - débitmètre

Aussi connu sous sa terminaison anglaise "Flow meter", les mesureurs de flux utilisent généralement des senseurs à Effet Hall.

Ces derniers permettent de mesurer des débit de liquides et de gaz.

MC Hobby vous propose également un débitmètre basé sur le principe décrit ce-dessus.

Bouton Sans contact

Le senseur à Effet Hall permet également de créer des boutons/actuateurs sans contact électrique. Ces derniers sont très apprécier dans les milieu dit à "atmosphère explosive".

Pas de contact = pas d'étincelles = pas d'explosions!

Il est même possible d'utiliser l'effet répulsif d'un second aimant afin d'éviter l'usage d'un ressort. Vous obtenez ainsi un actuateur sans contact électrique et sans pièces mécaniques :-)

Détection de niveau

Une autre application élémentaire est la détection de niveau. Encore une fois, pas de contact électrique... ce type d'assemblage pourrait-être utilisé pour une détection de niveau dans un réservoir d'essence.

Positionnement

Comme présenté dans la figure ci-dessous, un système hydraulique (ou air-piston) est déplacé jusqu'à ce qu'il atteigne une position bien spécifique (indiquée par la position du senseur à Effet Hall).

Cela peut être très utile dans des applications de type robotique (ou machine industrielle) ou la précision de la position est extrêmement important.

Dents d'engrenage

Les dents d'engrenage d'une roue dentée (de type ferreux) représente en fait un milieu ou la conductibilité magnétique varie en fonction de la position de la roue.

Le graphique ci-dessous montre très bien cette variation de champ magnétique (notez la distribution de celui-ci dans l'escape situé entre l'aiment et la roue dentée).

En choisissant judicieusement l'aimant et en plaçant correctement le senseur à Effet Hall, il est possible de compter les dents qui passent... parce que champ magnétique varie entre chaque passage de dents.

Notez que le senseur à effet Hall est placé entre la dent et l'aimant.

Moteurs Brushless

Les senseurs à effet Hall peuvent également servir à détecter et suivre précisément la rotation des moteurs de type Brushless.

Voici un exemple de mise en oeuvre... le document de Melexis contient plus de détails à ce sujet.

Référence

Cet excellent document (en anglais) de Melexis, le fournisseur du US5881LUA.

Où Acheter

Le senseur à Effet Hall(US5881LUA) + Extra est disponible chez MC Hobby.
Les Aimant Rare Earth sont également disponible MC Hobby.

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Toutes les figures et une grande partie de la documentation sont issus du document de Melexis, fournisseur du US5881LUA distribué par MC Hobby. Tous les droits sur leur matériel leur appartient.

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