Principes de base des capteurs magnétiques numériques

Un capteur magnétique numérique est un dispositif dans lequel la sortie bascule entre les états ON et OFF sous l'effet de la présence d'un champ magnétique externe. Dispositifs de ce type, basés sur le principe physique de l'effet Hall, sont largement utilisés comme capteurs de proximité, de positionnement, de vitesse et de détection de courant. Contrairement à un interrupteur mécanique, ils constituent une solution durable car ils sont exempts d'usure mécanique et peuvent fonctionner même dans des conditions environnementales particulièrement critiques. Les capteurs magnétiques numériques sont de plus en plus répandus, en particulier dans les secteurs de l'automobile et de l'électronique grand public, grâce à des fonctionnalités telles que le fonctionnement sans contact, le manque de maintenance, la robustesse et l'immunité aux vibrations, à la poussière et aux liquides.

Dans le secteur automobile, par exemple, ces capteurs sont utilisés pour détecter la position, la distance et la vitesse. A l'intérieur du moteur, ils sont utilisés pour identifier la position du vilebrequin, dans l'habitacle, ils sont utilisés pour détecter la position des sièges et des ceintures de sécurité (informations de base pour le fonctionnement du système de contrôle des airbags), et sur les roues, ils détecter la vitesse de rotation, nécessaire à l'ABS.

Principe de fonctionnement

Le cœur de chaque capteur magnétique est représenté par l'élément Hall, dont la tension de sortie (appelée aussi tension Hall et indiquée par V_H ) est directement proportionnel à l'intensité du champ magnétique qui traverse le matériau semi-conducteur. Cette tension étant très faible, de l'ordre de quelques microvolts, il est nécessaire d'inclure dans la conception d'autres composants tels que des amplificateurs opérationnels, des comparateurs de tension, des régulateurs de tension et des drivers de sortie. Selon le type de sortie, les capteurs magnétiques sont divisés en linéaire, dans lequel la tension de sortie analogique varie linéairement avec l'intensité du champ magnétique, et en numérique, dans lequel la sortie ne peut prendre que deux états. Dans les deux cas, le V_H tension satisfait à l'équation suivante :

V_H =R_H · ((B · I) / t)

où : V_H est la tension de Hall en volts, R_H est le coefficient d'effet Hall, I est le courant traversant le capteur en ampères, t est l'épaisseur du capteur en mm et B est la densité de flux magnétique en Teslas. Figure 1 montre le schéma fonctionnel d'un capteur à effet Hall linéaire générique, tandis que le schéma de la Figure 2 fait référence à un capteur numérique. L'élément Hall est représenté dans la Figure 1 par la case carrée avec un « X » et, selon le type, un capteur peut comprendre plusieurs cellules du même type (deux sont nécessaires pour détecter les champs magnétiques différentiels, trois pour détecter la direction ou le mouvement). Pour augmenter la flexibilité de l'interface, le capteur analogique comprend généralement un émetteur ouvert, un collecteur ouvert ou un transistor push-pull connecté à la sortie de l'amplificateur différentiel. La principale différence entre les deux schémas réside dans le fait que le capteur avec sortie numérique comprend un déclencheur de Schmitt avec hystérésis intégré, connecté à l'amplificateur opérationnel.

Figure 1 :Schéma fonctionnel d'un capteur à effet Hall linéaire (sortie analogique)

Lorsque le flux magnétique traversant le capteur dépasse un certain seuil, la sortie passe de OFF à ON. L'hystérésis est utilisée pour éliminer toute oscillation du signal de sortie lorsque le capteur entre et sort du champ magnétique. Les dispositifs basés sur l'effet Hall sont divisés en capteurs unipolaires et bipolaires. Les capteurs bipolaires nécessitent un champ magnétique positif (pôle sud) pour fonctionner et un champ magnétique négatif (pôle nord) pour le déclenchement. Les capteurs unipolaires nécessitent un seul pôle magnétique (pôle sud) à la fois pour le fonctionnement et le déclenchement. De plus, les capteurs sont normalement conçus pour produire une sortie à l'état OFF (circuit ouvert) en l'absence de champ électromagnétique et une sortie à l'état ON (circuit fermé) lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique d'intensité suffisante et avec la bonne polarité.

Figure 2 :Schéma fonctionnel d'un capteur numérique à effet Hall

Applications

Quel que soit le type d'application, une exigence fondamentale pour le bon fonctionnement des capteurs à effet Hall est que les lignes de flux magnétique soient toujours perpendiculaires à la surface du capteur et aient la bonne polarité. Les applications des capteurs magnétiques numériques sont nombreuses, notamment l'automobile, l'électronique grand public, les systèmes électromédicaux, les télécommunications, le contrôle des processus industriels. Les capteurs de position permettent de détecter un mouvement de glissement entre l'aimant et le capteur, les deux éléments étant placés à très courte distance. Le mouvement relatif entre l'aimant et le capteur génère un champ magnétique positif lorsque le capteur se déplace vers le sud et un champ magnétique négatif lorsque le capteur se déplace vers le pôle nord.

Plusieurs techniques sont disponibles pour déterminer la position :par exemple, si l'application nécessite une position limitée et discrète, de simples interrupteurs peuvent être utilisés, tandis que pour les applications nécessitant une plus grande précision, un dispositif linéaire peut être utilisé en combinaison avec un microprocesseur. Les capteurs de position ou de proximité peuvent également être utilisés pour surveiller le niveau d'un liquide, avec des applications dans les appareils électroménagers tels que les machines à laver ou les lave-vaisselle. Dans ce cas, plusieurs interrupteurs à effet Hall sont utilisés en combinaison avec un aimant placé sur le flotteur.

Lorsque le flotteur monte à l'intérieur du tube, les interrupteurs discrets correspondants placés à l'extérieur du boîtier sont activés, fournissant une indication numérique du niveau d'eau. Une autre application importante concerne les moteurs à courant continu sans balais, dont la vitesse est contrôlée par commutation électrique plutôt que mécanique. À cet égard, trois capteurs magnétiques numériques sont positionnés sur le stator du moteur, tandis que des aimants permanents sont placés sur l'arbre du rotor. Le secteur automobile est devenu un leader sur le marché mondial des capteurs de champ magnétique, représentant plus de 40 % des parts de marché. La demande croissante d'intégration de plusieurs fonctions de sécurité dans les automobiles a créé une opportunité pour les capteurs à effet Hall, exploités dans plusieurs applications liées à la sécurité telles que le système de contrôle électronique de la stabilité (ESC) et le système de freinage antiblocage (ABS).

Un exemple de capteurs magnétiques numériques pour la détection de position est la famille d'appareils Allegro MicroSystems A1210-A1214. Dotés de la certification AEC-Q100 pour les applications automobiles, les capteurs de la série A121x offrent une fiabilité élevée avec un fonctionnement stable et continu sur une plage de températures étendue, des performances CEM robustes et un indice ESD élevé. Les verrous à effet Hall A1210-A1214 incluent les éléments suivants sur une seule puce de silicium :régulateur de tension, générateur de tension Hall, amplificateur à petit signal, déclencheur de Schmitt et transistor de sortie NMOS.

La sortie de ces dispositifs passe à l'état bas (s'allume) lorsqu'un champ magnétique perpendiculaire à l'élément Hall dépasse le seuil du point de fonctionnement. Le capteur présente un comportement de verrouillage, c'est-à-dire qu'un pôle sud suffisamment puissant allume l'appareil et qu'il reste allumé même après le retrait du pôle sud. Lorsque le champ magnétique est réduit en dessous du point de déclenchement, la sortie du capteur passe à l'état haut (s'éteint). La différence entre les points de fonctionnement et de déclenchement magnétiques est l'hystérésis de l'appareil.

Les capteurs magnétiques conviennent également pour une détection précise de la position angulaire. Un exemple est l'encodeur rotatif magnétique AMS AS5048A/AS5048B, un capteur fournissant une sortie haute résolution 14 bits pour une détection de position angulaire à 360°. La figure 3 montre les principaux blocs fonctionnels du dispositif :capteur à effet Hall, convertisseur analogique-numérique et traitement du signal numérique. La position absolue de l'aimant est directement accessible via une sortie PWM et peut être acquise via un SPI standard ou une interface I²C haut débit, selon la version. La position zéro peut être programmée via la commande SPI ou I²C, simplifiant l'ensemble du système car l'aimant n'a pas besoin d'être aligné mécaniquement. Le capteur tolère le désalignement, les variations d'entrefer, la température et les variations de champ magnétique externe. La fiabilité, la robustesse et la large plage de températures le rendent idéal pour la détection d'angle de rotation dans les environnements industriels et médicaux difficiles.

Figure 3 :Principaux blocs fonctionnels de l'AS5048A [Source :AMS]

Conclusion

Les capteurs magnétiques numériques à effet Hall sont bien connus des concepteurs pour leur robustesse, leur durabilité et leur fonctionnement fiable pour toute application de détection de position. Qu'il s'agisse simplement de détecter la fermeture d'un couvercle d'ordinateur portable ou d'effectuer une commutation de moteur complexe et une mesure de position précise, les capteurs à effet Hall détecteront la position avec une extrême précision, même dans les conditions environnementales les plus sévères.

Par S. Lovati, ingénieur en électronique et auteur technique