capteur hall

8/6/2019 Capteur Hall

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Cours - TD. GE - Ts1 elec Capteurs de mesure de courant Dossier Pdagogique

Lyce Technique E. Branly Page 1 / 1 8 J. Hattab

LES CAPTEURS DE MESURE DE COURANT

1 - Position du Problme :

2 - Description gnrale dun capteur moderne :

2.1 - Fonction globale2.2 - Fonctions assures2.3 - Structure fonctionnelle

3 - Performances exiges :

3.1 - Etendue de lchelle, dcalage de zro3.2 - Prcision sensibilit3.3 - Temps de rponse - rapidit3.4 - Finesse

4 - Critres de choix dun capteur :

5 Capteur de Courant effet HALL :

5.1 - Principe physique de leffet Hall5.2 - Capteur a boucle ouverte5.3 - Capteur a boucle ferme

6- Document constructeur capteur LEM LA 25-NP :

7- Autres capteurs :7.1- Tableau rcapitulatif . Revue 3EI- N 13 page 47 .

8- Ides de Travaux Pratiques sur le capteur de Courant :8.1- Objectifs : Mise en uvre dune sonde de courant effet Hall.

Vrification de la prcision, de la linarit, de ltendue de mesure,de la bande passante, de la fidlit.

9- Bibliographie :- Revues 3Ei- Doc constructeur LEM France.


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1 - Position du Problme :

Circuit de P ce

Capteur de courant

Objectifs recherchs : - i 2 (t) = Image fidle et prcise de i 1 (t). Prcision- Fidlit

- Universalit de restitution des signaux ( DC,AC, IMP). Linarit

- Aptitude supporter les fortes surcharges. tendue mesure

- Forte immunit aux c ts transitoires Bande Passante.

- Bonne isolation galvanique.

- Insensibilit aux milieux extrieurs ( B, , humidit).- Simplicit demploi, grande gamme de calibres.

- Constituant conomique et peu volumineux.

2 - Description gnrale dun capteur moderne :

2.1 - Fonction globale

i1 t

i2 (t)

+ 0V Circuit de mesure

W elec R C E

ADAPTER les

GRANDEURSFP1

GrandeurPhysiquedentre( G e )

Ex : i(t), u(t) n, R , ,

PCapteur

Grandeur physiquede sortie ( G S )

=image informationnellede la grandeur dentre.

Signal logique T.O.R analogique

numrique.


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2.2 les sous fonctions associes :

1. ACQUERIR la grandeur mesurer comme un appareil de mesures

2.

CONVERTIR la mesure en signal exploitable technologiquement (pneu, elec,..)3. TRANSMETTRE un signal standard, image de la grandeur mesurer.

2.3 - Structure fonctionnelle dun capteur

G e G i Gelec G s

Elment sensible Transducteur Mise en forme

Ex : il humain = capteur dimages

FS1 = Rtine FS2 = btonnets ou informations optiquelocalises au fond de lil.

FS3 = nerf optique transmetau cerveau les signaux.

G entre Si G. . e nest pas exploitable directement alors llment sensible doittransmettre une grandeur physique intermdiaire (G. . i)

G image La loi physique de G i est traduite en signal lectrique par le transducteur.

Ex : Leffet Hall pour la mesure dun courant ou dun dplacement.Leffet Piezzo lectrique pour capter un niveau, un dbit.Leffet photo lectrique pour dtecter une position ( codeurs INC,ABS).

G elec Le signal mis par le transducteur est souvent non linaire et de faible niveau.Il sera galement influenc par les variations de temprature de llmentsensible et par les grandeurs dinfluence du transducteur.

G elec Sortie Sont transmises au circuit de cde aprs amplification, linarisation, mise en

forme et correction ventuelle du signal pour le rendre exploitable.

ACQUERI

R

CONVERTI

R

TRANSMETT

RE


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3.1 - Etendue de lchelle, dcalage de zro :

Ltendue de lchelle exprime la diffrence entre les valeursminimales et maximales.

La sortie 0% ne correspond pas toujours a une valeur nulle de lagrandeur mesure. On exprimera ce dcalage de zro par un offset.

3.2 - Prcision sensibilit :La prcision s apparente la qualit de la mesure effectue par le capteur.

Lerreur de prcision ou imprcision de mesure dlimite un intervalledincertitude 1%.

La sensibilit est dfinie autour dune valeur m de la grandeur.

Elle sexprime par le rapport :

= S/ m soit la variation de la Sortie / variation de la mesure.

3.3 - Temps de rponse ( Tr ) rapidit :

Tr est un critre dapprciation des performances dynamiques du capteur, quise comporte comme un filtre passe-bas.le Temps de rponse qualifie la rapidit du capteur transmettre linformation.Tr dpend fortement de la situation du point de mesure.

3.4 Finesse : Est une spcification qui permet dvaluer linfluence du capteur sur la grandeur mesurer. Dpend du capteur et du systme mesurer.

4 - Critres de choix dun capteur :

Conditions deFonctionnement

- Ambiance - Dure - Environnement.

Limites physiques et

Technologiquesdutilisation

Adaptation auProblme pos

- Installation- Fiabilit- Maintenance.


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5.1 - Principe physique de leffet Hall. Voir dossier ressources : Effet Hall .

5.2 - Capteur a boucle ouverte

Un entrefer d important linarise le cycle dhystrsis et rduit notablement la tensiondoffset lie linduction rmanente Br du circuit magntique. Mais lentrefer augmente lesrisques de fuite magntiques, pouvant perturber la tension de Hall : V H.Les capteurs de courants boucle ouverte du fait de leur bande passante limite 25kHz sont assez bien adapts aux applications industrielles ne ncessitant pas deperformances prcision et frquence de fonctionnement leves.

Cette gamme vise plutt des critres conomiques.

Plage de mesure : 018000ABande passante : 025kHz

Prcision typique : 1%Linarit : 0.5%

Temps de rponse :


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On rappelle que pour une sonde de Hall dpaisseur d : V H= (K/d). Ic .B pe = . Ip.La tension de Hall, signal V H est ensuite amplifie pour fournir Vs= V out.

5.3 - Capteur a boucle ferme

- Capteur de courant boucle ferme -Bien adapts aux applications industrielles exigeantes en performances, prcision etBande Passante. Les capteurs boucle ferme se distinguent par :

- Une excellente prcision : 0.5%- Une trs bonne linarit : 0.1%- Un temps de rponse trs court :


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Ce Type de capteur de courant effet Hall, exploite le principe de la compensation des Atau primaire et au secondaire. (Capteur de courant flux nul).On insre ds lentrefer dun CM torique, une sonde de courant effet Hall.Le CM par analogie avec un transfo de courant, est constitu :- dune bobine secondaire de Ns spires ( fils fins de lenroulement de compensation).- Dun bobinage primaire de Np spires ( gros fils) dans lequel circule le courant i1(t)

mesurer. Ce courant travers les n P spires va crer un champ Hp le long du tore.

Thorme dAmpres : Np.Ip = Hp.dl

Ip

Np.Ip = Hp. dl = Hp.2 .a

Hp = Np.Ip / 2 .a

a = rayon du tore

Ce champ Hp cre ds lentrefer une induction radiale B pe = o.HpBpe = o. Np.Ip / 2 .a

+1 5V

-15V

Is

Ip

Ic

VH R M v

Ao.R

Ao.R

CAPTEUR DE COURANT A BOUCLE FERMEE.

a

Np

dl

dHp


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Dans ces conditions de polarisationpar le courant de cde Ic et delinduction Bpe, il apparat aux bornes

du capteur de Hall une tension V Hsoit :

VH = R H. Ic. B pe / d

VH= R H. Ic. o. N p. Ip / 2 .a.dEn posant :

K H = R H . o. N p .Ic / 2 .a.d = C te

VH = K H . IpV

Hest limage de Ip(t) K

Hprs.

La tension V H issue du gnrateur de Hall est faible et doit-tre amplifie.

La tension de Hall V H est ensuite applique lentre dun AOP diffrentiel, constitu dun AOP et dun tage Push - Pull.Cet amplificateur diffrentiel, globalement a un trs fort gain en tension. Av = s / V H

Lamplificateur dbite alors un courant Is travers lenroulement secondaire de Ns spires enfils fins dit de compensation. Dans les Ns spires, le courant Is va crer un champ Hs gale Hp tel que le flux rsultant soit nul dans le tore. Capteur de courant flux nul.

Np.Ip = Ns.Is . ( compensation des At).

Do Is = Np.Ip / Ns = m.Ip Is dpend donc de m et de Ip ; m = Np / Ns

Comme Is = v/R M et Is Max = v Max / R M

Avec Vmax < U Ri.Is max

Do Vmax = (R M)max.Is max

AN : Capteur LEM LA 25-NP boucle ferme de courant.

Vmax < U Ri.Is max Vmax


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7 Autres capteurs :


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1- Notions de Charges lectriques, de courant et de densit de courant :

d

L

2- Champ lectrique E :

Un conducteur parcouru par un courant

constant cre un champ lectrique E qui

met en mvt les lectrons libres du solide.

Il en rsulte une force lectrostatique F s

rsultante de E : F s = q . E

3- Champ magntique B :

Une charge q anime dune vitesse v , place dans un champ magntique B est soumise une force de Lorentz - Laplace.

FB = q.v ^ B

CONDUCTEUR

Ic= cte

SENS DU COURANT ds

Ic=Cte

E

q0Fs E Fs

HYPOTHESES :

1 Vitesse de dplacement des charges = cte

2- Concentration des charges = cte soit : n/m 3

_q t dlectricit lmentaire : dq = n. q. v. ds . t

_Intensit du ct travers ds : dI = dq/dt

dI = n.q. v. ds

_ densit de courant travers ds :

J = n. q. v do dI = J. ds

I = J . S et S = L. d

+++

q-v

q-v

q-v

+++

+++

+++

q-v

q-v

q-v


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B B B

B

4- Champ de Hall Tension de Hall :

Champ B uniforme Champ B uniforme

+ + + + + + + + + + + + + + +

- - -

Les 2 rpartitions de charges produisent dans le conducteur un champ lectrostatique E Happel champ de Hall.- Ce champ est parallle PS et dirig de S vers P si q R H grandeur algbrique est appele Cte de Hall. R H = 1/ n.q en (C -1.m3)

Cest linverse de la densit des charges mobiles. Elle caractrise le matriau conducteur .

+++q-

v

q-v

F

FsI = cte

q-v

- - - - - - - - - - - - - -

FB

EH

Fs

P

S R

Q EH

Ic=cte Ic=cte


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5- Influence du matriau conducteur :

Champ B uniforme

Ic-

UH = R H. Ic. B. / d

d = paisseur du capteur.Ic = cte Ic = courant de

commande+

Matriaux R H de mesure C Chargesmobiles

Argent -8.4 .E-11 20 lectronsCu -5.5. E-11 20 lectrons

Alu -3.0. E-11 20 lectronsGe 8.0. E-3 20 TrousIn 7.0. E-3 20 Trous

As In 2.0. E-3 100 Trous As In Ph 4.0. E-3 100 Trous

Ex : pour un capteur au germanium Ge 20C Ic=30mA ; B=0.1T ; d= 0.5mm

UH = 48 mV 2%

6- Imperfections des gnrateurs de Hall :

- 1) Fluctuations de R H avec la temprature ds [-40 120C]- 2) Non quipotentialit par dfaut dalignement des soudures des lectrodes. do une chute de tension rsiduelle ohmique ( u1)- 3) non paralllisme des lignes de courant de commande. do une d. d. p derreur ( u2)

(u1) (u2)

La tension de Hall peuttre corrige par des composants de compensation ( CTN,R1,R2).


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7- Applications de leffet Hall :

I- Mesure des courants( voir cours capteur de Hall)

II- Mesure des fluxUH

UH = K H. Ic .BB= UH / K H

et = B.S

= U H .S / K H.

Ic

III- Mesure de distance

Nord

UH = K H / d

Ic

d

IV- Tachymtre effet Hall

UH= K H.

Aimant permanent encastr

N

Intgrateuractif


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TD1 : Mise en uvre dune sonde LEM ref : LA25-NP

On veut mesurer dans des conditions optimum un courant efficace Ip [0,25A] laidedune sonde de courant LEM LA-25NP.On appelle V m la tension aux bornes de la rsistance de mesure R m et I 2 le courant dansR m.

* Donnes gnrales constructeur : | U | =15V ; Ri=110 ; (R m)Max = 320 ;n2=1000.

Q1 : Complter le tableau ci-dessous en prcisant dans quelles conditions peut-onobtenir une sensibilit = Ip max / (Vm )M de 1A / V environ 5% prs ?Avec les donnes gnrales, tudier les 3 valeurs de Ip proposes et conclure.

Se reporter avec profit aux documents constructeurs, joints avec le cours .

Ipmax n1 m n1.Ip

(A.t)

I2M

(mA)

Vm < (Vm)M

Vm < | U | - Ri.I2MV mesure

Vm = (R m)Max. I 2M

(A/V)

Croquis des

Liaisons faire.25 A 1 2512 A 2 248 A 3 24

Q2 : En pratique on supposera la mesure d un ct primaire Ip max = 10A et n1.Ip max= 20 A.t.On demande de recalculer R m ? pour obtenir une sensibilit prcise de: 1A/V

corrig

Rep Q1 :Ipmax n1 m n1.Ip

(A.t)I2M(A)

Condition const. Vm < | U | - Ri.I2M

V mesure Vm = (R m)M. I 2M

(A/V)

Croquis desLiaisons.

25 A 1 1/1000 25 25.10 -3 Vm < 12.25V 8.00V ok 3,12512 A 2 2/1000 24 24.10 -3 Vm < 12.36V 7.68V ok 1,563 Voir doc8 A 3 3/1000 24 24.10 -3 Vm < 12.36V 7.68V ok 1,042

Conclusion : La sensibilit requise est obtenue 5% prs, pour n1=3 spires et Ip max = 8Aavec les donnes gnrales.

Rep Q2 : n2=1000 sp ; Ip max = 10A

H ( cas 2): n1=2 spires ; I2M = 20 mA ; V m < |U| - Ri.I2M = 15 - 110.20.10 -3 Vm < 12,8V condition vrifier.

On veut : = Ip max / Vm = 1A / V donc Vm = 10 Volts donc V m < 12,8 V. (ok) !

Comme : V m = R m.I2M R m = Vm / I 2 M = 10/ 20.10 -3 = 500

RQ : en posant : V = I 2.(Ri+Rm) = 12,2 V* On retrouve si ncessaire : (Vce) sat = |U| -V = 15 - 12,2 = 2,8 V


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TD2 : Gnrateur de Hall Approche physique. Daprs TD Michel Girard IUTCachan .

Le gnrateur de Hall est une plaquette de Si, parcourue par un courant constant decommande Ic entre les bornes 1 et 4.

Champ B uniforme

1) Quelle est la valeur typique du courant de cde Ic ?2) Quelle est la sensibilit de la sonde pour ce courant de cde ?3) Quelle tension ou f.e.m de Hall V H peut-on obtenir pour B pe= 0.1T ? (1Gauss = 10 -4T).

Tableau constructeur- Electrical characteristics at +25

characteristic symbol Test conditions limites UnitsControl current Icc - - 3.0 7.0 mAControl Resistance R 1-4 - 1.0 2.2 4.5 k Control Resistancevs.temperature

R 1-T - - +0.8 - %/C

Differential ouput resistance R 2-3 B=0 Gauss 2.0 4.4 9.0 k Output offset voltage V off B=0 Gauss - 5.0 - mVOutput offset voltage Vs.Temp V off / T 30 - V/C

Sensitivity Vout / B Icc = 3mA - 0.06 - V/G Vout / BSensitivity vs.temperatureT

Icc=1.5mA - +0.1 - %/C

Product Sensitivity V/A* kG - 20 - -

Corrig

1) Icc typ = 3mA

2) Sensibilit : = Vout / B = 0.06 mV/G

3) or B=0.1T =10 3 Gauss VH = 60mV

P

SR

Q

VH

Ic =cte 1

4

3

2


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TD3 : Gnrateur de Hall Alimentation. Daprs TD Michel Girard IUT Cachan.

Corrig

Ic typ = 3mA

VH= R2.Ic= 15-(7+3) = 5V

R2=1.66k ;

Ib= Ic/ = 30A

Iz= 2mA IR1 = Ib+Iz= 2030 A

R1= (Vcc-Vz )/ Ir1

R1=4.7k ;

Le courant typique de cde Ic est fournipar une source de courant utilisant untransistor 2N2904 dont le gain en courant

=100.

1) Indiquez les valeurs de R2, R1 pourque la tension maxi aux bornes dugnrateur de Hall ne dpasse pas7V.

On donne :

Vz = 5.6 V ; VCE =3 V ; Iz=2 mA.

Vcc = +15V

0V

R2

VCE

Vz =5.6V

R1

VH

Ic

capteur hall

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