Capteurs pratiques: l’effet Hall

La mesure d’un champ magnétique peut être très facile avec une technologie assez basse, ou elle peut être de très haute technologie. Cela dépend simplement du type de mesure dont vous avez besoin et de l’effort que vous souhaitez consacrer. Les capteurs magnétiques les plus simples sont les commutateurs Reed. Ce sont essentiellement des relais sans bobine. Au lieu d’une bobine, un aimant externe se rapproche suffisamment pour établir ou rompre les contacts dans le roseau. Vous en voyez beaucoup, par exemple, dans les capteurs d’alarme de porte.

Là encore, il n’y a pas de vraie finesse dans une anche. Il change d’état lorsqu’il voit suffisamment de champ magnétique et c’est à peu près tout. Vous pouvez utiliser une boussole avec une sorte de détection sur l’aiguille pour obtenir plus d’informations sur le champ, mais pas beaucoup plus. C’est pourtant ainsi que fonctionnaient les premiers magnétomètres. Aujourd’hui, vous avez beaucoup d’options, y compris le capteur à effet Hall presque omniprésent.

Vous pouvez utiliser un effet Hall pour mesurer le bouton magnétique sur une touche du clavier qui descend lorsque vous appuyez dessus ou l’état ouvert et fermé d’une vanne. De nombreux effets Hall considèrent le service comme des moniteurs actuels. Puisqu’une bobine génère un champ magnétique proportionnel au courant qui la traverse, un capteur magnétique peut estimer le courant dans une bobine de fil sans aucun contact physique. Les effets Hall peuvent également regarder un aimant passer dans un système de mouvement linéaire ou un système rotatif pour avoir une idée de la position ou de la vitesse. Par exemple, consultez ce contrôleur de moteur sans balais qui utilise trois capteurs pour comprendre la position du moteur.

Histoire

Edwin Hall a identifié l’effet en 1879. L’idée de base est simple: un conducteur électrique transportant du courant présentera des changements dus à un champ magnétique externe à proximité. Ces changements apparaissent sous forme de tension que vous mesurez à travers le conducteur. Normalement, la tension à travers un conducteur sera presque nulle, mais avec un champ magnétique, vous obtiendrez une lecture non nulle proportionnelle à la force du champ magnétique dans un plan particulier, comme nous le verrons bientôt.

Les capteurs à effet Hall ne sont qu’un type de magnétomètre moderne. Il existe de nombreux types différents, y compris ceux qui utilisent des bobines de détection inductives qui peuvent ou non tourner ou un fluxgate, qui est un type spécial de bobine. Certains utilisent une échelle ou un ressort pour mesurer la force contre un autre aimant – parfois au microscope. Vous pouvez même détecter un champ magnétique en utilisant des propriétés optiques comme l’effet Kerr ou la rotation de Faraday.

Ensuite, vous entrez dans les capteurs vraiment exotiques. Vous pouvez également mesurer la résonance du proton dans des matériaux riches en hydrogène comme le kérosène ou détecter les états d’énergie dans des gaz comme le césium. Les bobines supraconductrices sont également au menu.

Pourtant, les effets Hall, en particulier ceux utilisant des semi-conducteurs, sont bon marché et abondants. Ils sont également petits. Il est difficile d’imaginer votre clavier de PC utilisant une bobine supraconductrice pour capter de petits aimants collés au bas des touches.

Comment ça marche?

Nous aimons la vidéo de [rcmodelreviews] qui parle de la théorie derrière l’effet Hall (voir ci-dessous). cependant, l’explication est assez simple même sans vidéo. Considérez une feuille conductrice en forme de billet d’un dollar. Une source de tension constante est connectée sur les côtés gauche et droit, provoquant le passage d’un courant à travers le conducteur. Si vous mesurez la tension – la tension Hall – en haut et en bas de la facture, vous vous attendez à ce que la tension soit presque nulle si le conducteur est bon. En l’absence de champ magnétique, vous auriez raison. La tension aux bornes du haut et du bas sera pratiquement nulle.

Cependant, lorsqu’un champ magnétique est présent avec des lignes de flux perpendiculaires au courant de polarisation, une force de Lorentz agit sur les électrons – ou d’autres porteurs de charge, tels que les trous – et ils se plieront à l’écart de la force comme vous pouvez le voir dans ce animation. Cela entraînera le regroupement des électrons d’un côté du conducteur et aura tendance à être absent de l’autre côté.

L’animation à effet Hall est par [FraunhoferIIS], CC-BY-SA-4.0.

Cela fait que les deux côtés ont des charges différentes, et là où nous avons un différentiel de charge, nous devons avoir une tension. Dans l’animation, vous pouvez voir la batterie fournissant le flux de courant et le compteur mesurant la tension à effet Hall car l’aimant en fer à cheval applique différents champs magnétiques à l’appareil.

Un appareil pratique aura des circuits supplémentaires. Habituellement, il y a un amplificateur pour la tension Hall. Parfois, il y a un régulateur pour la tension de polarisation. Un capteur de sortie numérique peut également avoir un comparateur et un transistor de sortie.

Lire la fiche technique

Chaque appareil est différent, il est donc avantageux de lire la fiche technique de celui que vous souhaitez utiliser. Les effets Hall ont généralement des limites sur la gamme de fréquences et peuvent être assez coûteux. Melexis, par exemple, dispose d’un appareil à 250 kHz, ce qui est beaucoup plus rapide que de nombreux autres produits similaires. Ce dispositif particulier nécessite 5 V et moins de 15 mA pour fonctionner.

À partir de la fiche technique, vous pouvez voir qu’il existe deux versions. L’un peut fonctionner jusqu’à environ 7,5 millitesla et l’autre fonctionne autour de 20 millitesla. Il existe même une version qui peut fonctionner jusqu’à 60 millitesla. Bien sûr, il existe de nombreux autres choix d’autres fournisseurs avec des paramètres différents.

Certains capteurs émettent une tension proportionnelle au champ magnétique détecté ou vous pouvez obtenir un capteur numérique de type marche / arrêt. De toute évidence, si vous prévoyez de déployer un capteur, vous aurez besoin d’une prise en charge différente pour les capteurs que vous choisissez d’utiliser. Dans certains cas, vous n’avez même pas besoin d’un appareil externe. L’ESP32, par exemple, a son propre effet Hall intégré, comme vous pouvez le voir dans cette vidéo.

Construire avec des capteurs à effet Hall

Si vous souhaitez créer vos propres projets à effet Hall, vous avez l’embarras du choix. Un magnétomètre portable est assez simple et vit dans une boîte Tic Tac. Si vous mesurez un courant, vous voudrez peut-être utiliser un appareil qui contient non seulement le capteur à effet Hall, mais également tout ce dont vous avez besoin.

Ou pourquoi ne pas construire quelque chose de nouveau? Si vous le faites, assurez-vous de nous envoyer une note sur la ligne de conseil, afin que nous puissions faire passer le mot sur votre dernière création.