Qu'est-ce qu'un transducteur à effet Hall

Élément d'effet Hall : Définition et principe

Définition

Un élément d'effet Hall est un type spécialisé de transducteur conçu pour mesurer les champs magnétiques. Puisque la mesure directe d'un champ magnétique n'est pas simple, le transducteur d'effet Hall sert d'outil précieux. Il fonctionne en convertissant le champ magnétique en une force électromotrice (FEM), une grandeur électrique qui peut être facilement mesurée à l'aide de compteurs analogiques et numériques. Cette conversion permet la quantification et l'analyse de l'intensité et des caractéristiques du champ magnétique dans diverses applications.

Principe du transducteur d'effet Hall

Le principe sous-jacent du transducteur d'effet Hall repose sur un phénomène physique fascinant. Lorsqu'une bande conductrice portant un courant est placée dans un champ magnétique transversal, une force électromotrice (FEM) est induite aux bords du conducteur. L'amplitude du voltage généré est directement proportionnelle à la densité du flux magnétique passant à travers le conducteur. Cette propriété unique des conducteurs, où la présence d'un champ magnétique et d'un courant électrique interagissent pour produire un voltage mesurable, est connue sous le nom d'effet Hall.

Les métaux et les semi-conducteurs présentent tous deux l'effet Hall, avec l'intensité et le comportement de cet effet dépendant de la densité et de la mobilité de leurs électrons. Pour mieux comprendre ce principe, considérez l'élément d'effet Hall illustré dans la figure ci-dessous. Dans cette configuration, un courant électrique est fourni par les bornes 1 et 2, tandis que le voltage de sortie est mesuré entre les bornes 3 et 4. Lorsqu'aucun champ magnétique n'est appliqué à la bande conductrice, les bornes 3 et 4 sont au même potentiel électrique.

Lorsqu'un champ magnétique est appliqué à la bande, un voltage de sortie est généré entre les bornes de sortie 3 et 4. Ce voltage induit est directement proportionnel à l'intensité du champ magnétique. Mathématiquement, la relation peut être décrite par la formule suivante pour le voltage de sortie VH :

I est le courant en ampère et B est la densité de flux en Wb/m2

Transducteur d'effet Hall : Capacités de mesure et applications

Capacités de mesure

Le courant circulant dans le conducteur et l'intensité du champ magnétique peuvent être déterminés en analysant les tensions de sortie d'un transducteur d'effet Hall. Cependant, dans les conducteurs, la force électromotrice (FEM) générée par l'effet Hall est généralement assez faible, posant un défi pour une mesure précise. En revanche, les semi-conducteurs tels que le germanium produisent une FEM relativement plus grande. Ce signal plus important peut être facilement mesuré à l'aide d'instruments à bobine mobile, rendant les semi-conducteurs plus pratiques pour de nombreuses applications de mesure basées sur l'effet Hall.

Applications des transducteurs d'effet Hall

Le transducteur d'effet Hall trouve un usage étendu dans divers domaines en raison de sa capacité unique à convertir les phénomènes magnétiques en signaux électriques. Certaines de ses principales applications sont les suivantes :

1. Transduction magnétique-électrique

L'une des principales applications de l'élément d'effet Hall est de convertir le flux magnétique en un signal électrique. Pour mesurer les champs magnétiques, un matériau semi-conducteur est placé dans le champ magnétique d'intérêt. En conséquence, un voltage se développe aux extrémités des bandes semi-conductrices. Ce voltage est directement proportionnel à la densité du champ magnétique, permettant la quantification de l'intensité du champ magnétique.

Les transducteurs d'effet Hall offrent plusieurs avantages. Ils nécessitent peu d'espace, ce qui les rend adaptés aux conceptions compactes. De plus, ils fournissent un signal électrique continu qui reflète précisément l'intensité du champ magnétique. Cependant, ils ont également une limitation notable : une sensibilité élevée aux variations de température. Cette sensibilité signifie qu'un calibrage est souvent nécessaire pour chaque scénario de mesure individuel afin d'assurer des résultats précis et fiables.

2. Mesure de déplacement

Les éléments d'effet Hall sont également utilisés pour mesurer le déplacement des composants structuraux. Par exemple, considérez une structure ferromagnétique intégrée avec un aimant permanent.

Dans les applications de mesure de déplacement, un transducteur d'effet Hall est positionné entre les pôles d'un aimant permanent. Lorsque la position d'un composant ferromagnétique dans cette configuration de champ magnétique change, elle modifie l'intensité du champ magnétique expérimentée par l'élément d'effet Hall. Ce changement dans l'intensité du champ magnétique est ensuite traduit en un changement correspondant du voltage de sortie du transducteur, permettant une mesure précise du déplacement de la structure ferromagnétique. Cette méthode non invasive offre un moyen fiable de surveiller le mouvement des pièces mécaniques dans divers systèmes, tels que les machines industrielles ou les bras robotiques.

3. Mesure de courant

Le transducteur d'effet Hall offre une méthode très pratique et sûre pour mesurer le courant électrique, car il permet de mesurer le courant sans nécessiter de connexion physique directe entre le circuit conducteur et le compteur de mesure. Que ce soit un courant alternatif (CA) ou un courant continu (CC), lorsqu'il est appliqué à un conducteur, il génère un champ magnétique autour du conducteur. L'intensité de ce champ magnétique est directement proportionnelle à l'ampleur du courant appliqué. Ce champ magnétique, à son tour, induit une force électromotrice (FEM) à travers les bandes du transducteur d'effet Hall. L'amplitude de cette FEM induite dépend de l'intensité du champ magnétique, qui est liée au courant circulant dans le conducteur. En mesurant cette FEM induite, la valeur du courant peut être déterminée avec précision, ce qui fait des transducteurs d'effet Hall des outils idéaux pour la détection de courant dans une large gamme de systèmes électriques, des réseaux de distribution d'énergie aux appareils électroniques.

4. Mesure de puissance

Les transducteurs d'effet Hall sont également utilisés pour mesurer la puissance d'un conducteur électrique. Lorsqu'un courant est passé à travers le conducteur, il génère un champ magnétique, dont l'intensité est directement corrélée à l'ampleur du courant. Ce champ magnétique induit ensuite un voltage à travers les bandes du transducteur d'effet Hall. En utilisant un circuit multiplicateur en conjonction avec le transducteur, le voltage de sortie du multiplicateur peut être rendu proportionnel à la puissance dissipée dans le conducteur. Cette approche permet une mesure efficace et précise de la puissance électrique dans diverses applications, y compris dans les systèmes de puissance électrique, où la surveillance de la consommation et du flux d'énergie est cruciale pour la gestion de l'énergie et l'optimisation du système.