Capteurs Hall numériques : switches unipolaires, omnipolaires, bipolaires et latches expliqués

Comprendre les switches et latches à effet Hall : polarité, hystérésis, applications pratiques

Les dispositifs à effet Hall sont des comparateurs de champ magnétique de précision. Ils évaluent la densité de flux magnétique — communément appelée champ B — contre des seuils prédéfinis et sortent un résultat binaire. Les quatre catégories principales de capteurs Hall numériques (on/off) sont : switches unipolaires, switches bipolaires, switches omnipolaires, et latches.

Avant de plonger dans la fonction de transfert de chaque type, il est essentiel de clarifier le concept de polarité du champ B — thème récurrent dans notre discussion.

Définition de la polarité du champ B

Un capteur Hall est intrinsèquement directionnel ; il ne détecte que la composante de la densité de flux magnétique alignée avec son axe de sensibilité. Figure 1 illustre les axes de sensibilité de deux packages capteurs courants.

Figure 1. Courtoisie Texas Instruments.

Si le champ magnétique appliqué produit une composante le long de l'axe de sensibilité, le champ B est considéré positif. Inversement, une composante opposée à l'axe est négative. Figure 2 démontre un scénario où le capteur à la position A expérimente un champ B négatif.

Figure 2.

En supposant que l'axe de sensibilité du capteur s'aligne avec l'axe z, les lignes de champ magnétique d'un aimant — originaires du pôle nord et terminant au pôle sud — créent un champ B négatif au capteur. Beaucoup de fabricants adoptent une convention : un pôle sud face au côté marqué (front) du capteur génère un champ B positif, tandis qu'un pôle nord produit un champ B négatif. Cette convention ne tient que quand les pôles de l'aimant font face au côté marqué ; inverser l'orientation l'invalide.

La plupart des dispositifs Hall sont unidimensionnels, détectant le long d'un seul axe, mais des ICs multi‑éléments peuvent fournir une sensibilité trois axes.

Switches unipolaires

Figure 3 dépeint l'opération d'un switch unipolaire.

Figure 3.

Ses seuils — B_OP (point d'opération) et B_RP (point de relâche) — se situent exclusivement dans la région de champ B positif. Le capteur répond seulement à un pôle sud (champ positif) ; un pôle nord (champ négatif) n'a aucun effet, d'où le terme « unipolaire ».

Quand un champ pôle nord est appliqué et que la force du champ augmente vers la direction positive, le capteur reste off (logic high) jusqu'à ce que le B appliqué dépasse B_OP. À cet instant, la sortie bascule à logic low. Si le champ diminue ensuite, le capteur reste on jusqu'à ce que B tombe sous B_RP, moment où il revient à logic high. Ce seuillage asymétrique introduit de l'hystérésis, prévenant fluctuations rapides de sortie causées par vibrations mécaniques ou bruit électromagnétique, comme illustré Figure 4.

Figure 4. Sans hystérésis, la sortie peut être indéterminée autour du seuil.

La largeur d'hystérésis est définie comme B_HYS = B_OP – B_RP. Selon le circuit interne du capteur, les états logiques de sortie peuvent être inversés, mais le comportement de commutation reste identique.

Switches omnipolaires

Les switches omnipolaires s'activent quand la magnitude du champ magnétique dépasse un seuil, indépendamment de la polarité. Figure 5 montre la fonction de transfert.

Figure 5.

Quand |B| > B_OP, le capteur s'allume (logic low). Quand |B| < B_RP, il s'éteint (logic high). La même magnitude de B_OP et B_RP s'applique aux champs positifs et négatifs, offrant une opération symétrique.

Latches à effet Hall

Figure 6 illustre le comportement d'un latch.

Figure 6.

Un latch présente un B_OP positif et un B_RP négatif. Il s'allume quand B > B_OP et s'éteint quand B < B_RP. Entre ces seuils — c'est‑à‑dire la région d'hystérésis s'étendant de B_RP à B_OP — la sortie reste inchangée, même si le champ passe par zéro. Conséquemment, le latch « maintient » son état jusqu'à ce qu'un champ de polarité opposée et magnitude suffisante soit appliqué.

Parce qu'un latch détecte à la fois la magnitude et la polarité du champ B, il est idéal pour applications rotatives où la polarité d'un aimant annulaire alterne, comme montré Figure 7.

Figure 7. Courtoisie Allegro.

Pour les latches, les points d'opération et relâche sont égaux en magnitude mais opposés en signe (B_OP ≠ –B_RP).

Switches bipolaires

Les switches bipolaires fournissent un B_OP maximum et un B_RP minimum, mais les valeurs exactes de seuil peuvent varier d'unité à unité. Figure 8 présente trois réponses échantillon d'un même lot de fabrication.

Figure 8. Courtoisie Honeywell.

Le dispositif 1 et dispositif 3 ont tous deux des seuils de même polarité (tous deux négatifs ou tous deux positifs), alors que le dispositif 2 exhibe une réponse latch‑like avec B_OP positif et B_RP négatif. Selon la note « Bipolar Switch Hall‑Effect IC Basics » d'Allegro, seulement environ 10 % des switches bipolaires ressemblent aux dispositifs 1 ou 3 ; la majorité affiche un comportement latch‑type.

Bien qu'un switch bipolaire puisse offrir une bande d'hystérésis plus étroite (B_HYS = B_OP – B_RP) et une sensibilité plus haute qu'un latch, sa variabilité unité‑à‑unité nécessite un design soigné pour assurer opération robuste across la plage de seuils spécifiée.

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