Capteurs de champ magnétique

Capteurs de champ magnétique
I. L’effet Hall
Principe :
Lorsqu'un métal ou un semi-conducteur parcouru par un courant est placé dans un champ
magnétique perpendiculaire à la direction de ce courant, il apparaît une différence de potentiel
dans le matériau dans la direction perpendiculaire au courant et au champ magnétique
L'apparition de cette tension est appelée «effet Hall». Le champ magnétique appliqué dévie
les électrons ou les autres porteurs de charge dans une direction perpendiculaire à leur trajet
normal dans le matériau.
C'est en 1879 que cet effet fut découvert par le physicien américain Edwin Herbert Hall: alors
qu'il travaillait à sa thèse de troisième cycle à l'université Johns Hopkins, Hall observa sur des
barreaux de cuivre parcourus par un courant l'apparition d'une différence de potentiel
lorsqu'un champ magnétique était appliqué à ces barreaux
Utilisations :
Jusqu'aux années 1960 l'effet Hall a été principalement utilisé en recherche scientifique pour
obtenir des informations sur la nature des porteurs de charge présents dans un solide, leur
concentration et leur mouvement. Un résultat important de ces recherches a été l'émergence
du concept de «trou» (un site laissé vacant par un électron) comme porteur de charge. Ce
concept a joué un rôle important dans le développement du transistor et d'autres dispositifs à
semi-conducteurs.
Dans les années 1960, l'introduction de composants à matériaux semi-conducteurs, comme
l'antimoniure d'indium et l'arseniure d'indium, a rendu possible la production de tensions Hall
nettement plus élevées que celles obtenues jusque-là. L'effet Hall devint utile non seulement
dans la recherche scientifique mais aussi dans l'industrie. Il est désormais utilisé dans les
gaussmètres, les ampèremètres, les wattmètres, les moteurs à courant continu, les multimètres
analogiques, les compas magnétiques et de nombreux autres instruments et dispositifs. Quand
il est utilisé directement dans le fonctionnement d'un instrument, l'effet Hall sert, par exemple,
à mesurer l'intensité et la direction d'un champ magnétique ou l'intensité d'un courant dans un
conducteur.
Sur le capteur :
Le capteur est un barreau de silicium parcouru par un courant d’intensité I, suivant son axe
horizontal. Il est soumis à un champ magnétique transversal B. Les électrons sont déviés vers
le bas en laissant des charges + de l’autre côté. Une différence de potentiel U apparaît entre la
face supérieure et la face inférieure. C’est la tension de Hall. Cette tension est directement
proportionnelle au champ magnétique appliqué. Le coefficient de proportionnalité dépend des
dimensions du semi-conducteur, du courant le traversant ainsi que du coefficient de Hall. Ce
nombre est une constante du matériau et varie essentiellement en fonction de la concentration
de porteurs et donc de leur mobilité.
Ainsi on appelle U la tension de Hall, et Kh la constante de Hall qui dépend du matériau
utilisé. On obtient alors la formule suivante :
U = Kh x B x I
Pour mieux visualiser :
- le pouce est placé suivant le déplacement des charges + (soit l’inverse du sens de
déplacement des électrons) ;
- l’index est placé suivant la force B ( induction du champ magnétique ) ;
- le majeur représente la force magnétique.
B
+ + + + + + + + + + + +
U
I
V
F
- - - - - - - - - - - - - - -
Plus U est grand, plus les électrons sont déviés.
Plus les électrons sont déviés, plus le champ magnétique est grand.
On obtient ainsi une mesure indirecte du champ magnétique.
II. Les capteurs à effet Hall
Un capteur à effet hall donne un signal lorsqu' il détecte un champs magnétique ou une pièce
métallique . La tension de Hall est amplifiée dans le capteur .
1) Le capteur UGN3503U par Allegro
Nous avons trouvé plusieurs capteurs à effet Hall, dont le capteur à effet hall linéaire ( allegro
) : UGN3503U, qui sera celui que nous utiliseront.
1) Intérêt du capteur
- Capteur très sensible
- Haute résistance mécanique
- Sortie sur amplificateur linéaire
- Sortie émetteur suiveur
2) Caractéristiques du capteur
Il se présente sous la forme d’un petit carré d’environ 5 mm de côté.
- Température d’utilisation : - 20°C à + 85°C (on pourra le mettre dans la nacelle).
- Tension d’alimentation maximale : Ucc = de 4,5 à 6 V ; une tension de 5V convient.
- En regardant la face sérigraphiée, la patte de gauche est à relier à un potentiomètre afin de
pouvoir ajuster finalement la tension d’alimentation fixée à 5 V, mais qui peut varier de 4,5 à
6 V selon le montage. La patte du milieu est à relier à la masse de l'alimentation. La patte de
droite possède un potentiel par rapport à la masse égal à peu près à la moitié de la tension
d'alimentation, lorsque le champ magnétique est nul. Ce potentiel varie de quelque mV
lorsque la sonde est plongée dans un champ magnétique tel que les lignes de champ soient
normales à la surface du composant. La sensibilité de la sonde est d'environ 10 mV/mT. Elle
est également sensible au sens du champ magnétique. Lorsque la face sérigraphiée est une
face Nord, le potentiel de la borne S augmente, dans le cas contraire, il diminue.
- La tension de sortie Uc (fonction de transfert) est de la forme Uc = α Ucc + β B avec :
Ucc tension d’alimentation
B intensité du champ magnétique mesuré perpendiculairement au plan du capteur.
Uc = 0,5 x Ucc + 13.10-3 B
Uc – 0,5 x Ucc = 13.10-3 B
D’où B = (Uc – 2,5) / (13.10-3)
Or on sait que B = 2.10-5 T
donc Uc = 0,5 Ucc + 13.10-3 x 2.10-5
= 2,5 + 2,6.10-7
= 2,50000026 V
On a alors une différence (Uc – 2,5) = 0,00000026 V trop petite. Il faut donc la multiplier, à
l’aide d’un amplificateur.
2) Autres capteurs
Nous avons également trouvé des capteurs à effet Hall chez Honeywell, dont ceux
appartenant à la série SS490B, qui sont des capteurs logo métriques linéaires (MRL) à effet
Hall. Ainsi, nous avons le SS495B et le SS496B, qui sont intéressants vu leur faible
encombrement et leur grande précision sous des températures variées.
On trouve parmi les applications types la détection du courant, la commande de moteurs, la
détection de position, la lecture de cartes magnétiques codées, le codage rotatif, la détection
du métal ferreux, la détection de vibrations, la détection du niveau de liquide et la détection
du poids.
Les détecteurs de position MRL de la série SS490 sont opérés par le champ magnétique d'un
aimant permanent ou d'un électro-aimant. Ils réagissent à une induction positive ou négative.
Un circuit intégré fournit une stabilité et une sensibilité plus grandes en température. Des
résistances à couche mince découpées au laser fournissent une haute précision et une
compensation de température. Ce produit dispose d'une sortie NPN ou PNP typique de 1,5
mA en continu et utilise 7 mA comme courant d'alimentation à 5,0 volts pour des économies
d'énergie. Cet élément détecteur quarte à effet Hall procure une sortie stable. La température
de fonctionnement va de -40 à +150 °C.