Senseur à Effet Hall

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."

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

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 est un senseur uni-polaire

le senseur Effet Hall US5881LUA 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://mchobby.be/PrestaShop/product.php?id_product=86 
 Les aimants surpuissant de Rare Earth sont aussi disponibles chez MC Hobby
    http://mchobby.be/PrestaShop/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).

Mise en oeuvre

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.

Référence

• Cet excellent article (en anglais) du fournisseur du US5881LUA.

Où Acheter

Le senseur à Effet Hall(US5881LUA) + Extra est disponible chez MC Hobby.

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