Application d'un capteur à effet Hall

L 'utilisation d'une minuscule cellule de Hall permet de capter aisément des inductions magnétiques. Les applications sont nombreuses, des touches de clavier à la mesure d'une intensité en courant continu ou alternatif, ou encore au positionnement précis de mobiles divers. C'est cette dernière application qui sera le thème de notre maquette, vous proposant de mettre en oeuvre un capteur à effet Hall pour construire un pèse-lettre.
L'effet Hall
L'effet Hall, particulièrement important dans les semi-conducteurs, est l'effet résultant de l'application d'un champ magnétique sur un courant continu constant. On récolte aux bornes du capteur Hall une différence de potentiel précisément proportionnelle à la valeur du champ magnétique, lui-même perpendiculaire au courant constant. Pour la mesure des faibles champs magnétiques, notamment dans le cas des relevés de courant circulant dans un fil électrique, on pourra augmenter la densité de flux induite au moyen de tores en ferrite chargés d'augmenter la sensibilité de la cellule Hall. C'est exactement ce qui se passe sur les pinces ampèremétriques modernes, capables de mesurer les intensités alternatives et surtout continues, sans devoir faire appel aux traditionnels shunts de mesure. La linéarité de ces capteurs est correcte, même si la tension délivrée induite reste faible et sujette à amplification avant l'exploitation. D'autres applications existent dans le domaine des lecteurs C.D. et K7, dans l'équipement automobile pour la mesure des vitesses, compte-tours et autres allumages électroniques. En instrumentation, on peut imaginer des compteurs, détecteurs d'approche sans contact, et bien entendu la traditionnelle boussole.
Principe du montage
Le thème du pèse-lettre n'est ici qu'un prétexte pour mettre en oeuvre une cellule de Hall, capable de détecter à partir d'une certaine distance la présence et l'approche progressive d'un petit aimant permanent. Il est possible de destiner cette maquette à d'autres fins, pour peu que l'on parvienne à traduire la grandeur physique à mesurer en terme de champ magnétique plus ou moins intense, donc plus ou moins proche. Un étalonnage soigné devrait permettre de disposer bientôt d'un capteur de mesure à distance précis, fiable et indéréglable. Nous laisserons au lecteur le soin d'imaginer la partie mécanique de cette réalisation, nous contentant de décrire les entrailles électroniques de ce capteur de position peu ordinaire. Un dispositif de signalisation sur quatre diodes électroluminescentes sera proposé pour distinguer les seuils de détection réglables choisis.
Analyse du schéma
le schéma
Comme on le voit sur le schéma, l'alimentation du montage sera confiée à une petite pile de 9V bien ordinaire, surtout en raison de l'usage épisodique de ce genre d'application. A l'aide d'un régulateur intégré délivrant 5V et d'une diode zener de quelques 2,7V, nous disposons en sortie d'une tension proche de 7,5V, bien acceptée par le composant choisi. Il s'agit d'un capteur à effet Hall extra plat du constructeur Siemens, portant la référence KSY14.
Ce minuscule boîtier comporte quatre broches alignées du même côté. Les broches 1 et 2 sont affectées à l'alimentation du capteur et assurent un courant stable dans celui-ci, puisque la tension de 7,5V reste constante grâce au régulateur 7805. Les broches 3 et 4 délivrent la tension de sortie. On trouve ensuite un étage amplificateur de tension construit autour du classique AOP µA 741. Le gain élevé de cet étage est fixé par le rapport des valeurs R4/(P2+R1) , P2 assurant le réglage éventuel. On pourra également, à l'aide du multitours P1, ajuster la tension de sortie à une valeur nulle en l'absence de champ magnétique à proximité de la sonde et ainsi s'affranchir de la tension d'offset du composant IC1.
La tension amplifiée prélevée sur la broche de sortie 6 de IC1 est acheminée vers les entrées non inverseuses des quatre ampli-OP disponibles dans le circuit IC2, un LM324 capable de fonctionner sous une tension non symétrique. Les comparateurs de tensions sont repérés A, B, C et D; seul A du bas ne possède pas de réglage sur son entrée inverseuse (broche 2) reliée directement au potentiel de la masse. Le fonctionnement du comparateur de tensions est sans doute familier à tous nos lecteurs: si la tension sur l'entrée e+ est, même légèrement, supérieure à celle appliquée sur l'autre entrée e-, la sortie passe brutalement à l'état haut . Les comparateurs B, C et D disposent respectivement des ajustables P3, P4 et P5 pour fixer leur seuil de basculement, et ce en fonction des détections souhaitées pour chacun.
Les quatre sorties des AOP sont ensuite appliquées sur des portes OU EXCLUSIF, chargées de ne valider qu'une seule diode électroluminescente à la fois. Ainsi, si l'entrée 7 est haute, c'est que la tension sur la broche 5 de l'AOP B est supérieure à celle appliquée par le curseur de P3 sur l'entrée 6 du même AOP. La broche 5 de la porte EXOR F sera haute, son autre broche 6 restant basse. La diode électroluminescente L2 peut donc s'allumer à travers la résistance R9. Par contre, la porte EXOR E voit ses deux entrées à l'état haut et sa sortie reste donc basse, éteignant la LED L1 marquée "20 g" sur le schéma. Plus la cellule de Hall est proche d'un aimant, ou encore plus le flux de celui-ci est intense, plus on aura de chance de voir s'allumer les diodes L3 et même L4. Une mesure plus précise est possible en plaçant un voltmètre digital au point test X, à la sortie de IC1.
Réalisation pratique
un tracé possible pour les pistes de cuivre

le plan d'implantation des composants
Nous vous proposons un tracé possible pour les pistes de cuivre ainsi que le plan d'implantation des composants correspondant, étant entendu que chacun pourra adapter cette maquette à sa guise.
On veillera à la mise en place des quelques straps et à la bonne orientation des composants polarisés. Le raccordement de la sonde de Hall se fera au moyen de 4 fils souples en observant attentivement le brochage du composant retenu et celui de la plaquette. On notera que le capteur KSY14 ne sera sensible sur chaque face qu'à une polarité magnétique bien précise. Le réglage de l'ensemble consiste à obtenir une tension quasi nulle en sortie du circuit IC1 en l'absence de tout champ magnétique (agir sur P1). Il ne reste plus qu'à ajuster correctement les éléments P3, P4 et P5 selon la "puissance" de l'aimant et la distance de détection souhaitée. Si l'application du pèse-lettre vous tente, il convient de tester la maquette avec des enveloppes lestées et éventuellement pesées au bureau des PTT de votre domicile, où la précision atteint le gramme. Un ressort écrasé par un plateau dans un tube coulissant pourra approcher le capteur Hall fixé au fond du tube.

Publie sue Magazine Electronique Pratique N°211 - 2 - 1997

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