Dispositifs à effet Hall numériques (ON/OFF) :commutateurs et loquets

Découvrez la polarité du champ B, les commutateurs unipolaires, les commutateurs omnipolaires, les verrous à effet Hall et les commutateurs bipolaires dans cet article technique.

Les commutateurs et verrous à effet Hall sont des comparateurs de champ magnétique. Ils comparent la densité de flux magnétique, parfois appelée champ B, avec certains seuils prédéfinis et produisent le résultat de la comparaison sous la forme d'une valeur numérique à 1 bit. Il existe quatre catégories différentes de capteurs à effet Hall numériques (marche/arrêt) :les commutateurs unipolaires, les commutateurs bipolaires, les commutateurs omnipolaires et les verrous.

Nous examinerons en détail la fonction de transfert de chaque type. Mais, avant cela, je voudrais clarifier un concept important qui sera couramment utilisé dans notre discussion :la polarité de la densité de flux magnétique.

Comment définissons-nous la polarité du champ B ?

Un dispositif à effet Hall est directionnel. Il détecte uniquement la composante de la densité de flux magnétique qui se trouve le long de son axe de sensibilité. La figure 1 montre l'axe de sensibilité de deux boîtiers d'appareils à effet Hall communs.

Figure 1. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Texas Instruments.

Si le champ magnétique appliqué au dispositif produit une composante dans la direction de l'axe de sensibilité, le champ B est supposé positif. Si le champ produit une composante dans la direction opposée à l'axe de sensibilité, elle est supposée négative. La figure 2 montre un exemple où la densité de flux magnétique a une polarité négative à l'emplacement du capteur (A).

Figure 2

Dans l'exemple ci-dessus, nous supposons que l'axe de sensibilité de l'appareil est dans la direction de l'axe z. Étant donné que les lignes de champ magnétique d'un aimant vont du pôle nord au pôle sud, le champ B détecté par l'appareil est négatif.

Il existe également une convention concernant la polarité du champ B qui est couramment utilisée par les fabricants de capteurs à effet Hall. Ils considèrent le champ magnétique produit par un aimant pôle sud comme positif et celui du pôle nord comme négatif. Ceci est basé sur l'hypothèse que la face marquée du capteur est tournée vers l'aimant. La face marquée est la surface avant du capteur où vous pouvez trouver le numéro de pièce de l'appareil, etc. Compte tenu des axes de sensibilité illustrés à la figure 1, vous pouvez vérifier que présenter le pôle sud de l'aimant à la face marquée du capteur créera un champ magnétique dans la direction de l'axe de sensibilité (champ positif). De même, un pôle nord créera un champ magnétique négatif. Si nous présentons les pôles magnétiques à l'arrière de l'emballage du capteur (pas la face marquée de l'emballage), la convention ci-dessus ne sera plus valable !

Une dernière note pour terminer cette discussion :de nombreux dispositifs à effet Hall sont unidimensionnels et détectent le champ B le long d'un seul axe de sensibilité (comme ceux illustrés à la figure 1). Cependant, il existe des circuits intégrés de capteur plus sophistiqués qui utilisent plus d'un élément Hall pour prendre en charge trois axes de sensibilité (un capteur tridimensionnel). Examinons maintenant la fonction de transfert des différents types d'appareils Hall numériques (on/off).

Commutateurs unipolaires

La fonctionnalité d'un commutateur unipolaire est illustrée à la figure 3.

Figure 3

Cet appareil est appelé interrupteur unipolaire car ses seuils de commutation (B_RP et B_OP ) sont dans la région positive de l'axe du champ B. L'état de sortie ne peut changer qu'en réponse à un champ de polarité sud. Un champ de polarité nord, ou négatif, n'a aucun effet sur le capteur; expliquant le nom « interrupteur unipolaire ».

Voyons comment l'appareil réagit aux changements du champ magnétique. Supposons qu'un champ de polarité nord soit appliqué au capteur et que nous augmentions progressivement le champ appliqué (le rendons plus positif). Pour B OP , l'appareil est éteint et la sortie est au niveau logique haut. Lorsque le champ magnétique appliqué devient plus grand (ou plus positif) que la valeur seuil B_OP , l'appareil s'allume et la sortie passe à l'état inverse (logique bas). La fonction de transfert pour un champ B croissant est représentée par la courbe bleue sur la figure.

Comment l'appareil activé réagit-il à un champ décroissant ? Pour un champ magnétique décroissant, l'appareil reste allumé (logique bas) jusqu'à ce que le champ magnétique appliqué devienne inférieur à B_RP . Ceci est illustré par la courbe rouge dans la figure ci-dessus. Pour B RP , l'appareil s'éteint et la sortie passe au niveau logique haut.

Ainsi, le seuil de commutation pour un champ magnétique croissant est différent du seuil de commutation pour un champ décroissant. Cette hystérésis est intentionnellement conçue pour avoir une commutation propre à la sortie. Les vibrations mécaniques dans un système de détection à effet Hall ainsi que le bruit électrique et électromagnétique peuvent introduire du bruit dans le champ magnétique détecté. Le bruit de champ B autour des niveaux de seuil peut conduire à des fluctuations indéterminées et rapidement changeantes à la sortie du capteur Hall (Figure 4). Ces fluctuations indésirables sont supprimées en rendant les seuils des champs croissants et décroissants légèrement différents.

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

Comme nous l'avons vu plus haut, le fonctionnement d'un interrupteur unipolaire peut être décrit par deux paramètres différents :B_OP et B_RP . B_OP signifie le « point de fonctionnement magnétique » ou simplement le « point de fonctionnement ». Cela indique le niveau de seuil pour un champ magnétique croissant au-dessus duquel le capteur s'allume. B_RP est le « point de libération magnétique » ou simplement le « point de libération ». Il indique le niveau seuil pour un champ magnétique décroissant. Pour B RP , l'appareil est éteint. L'hystérésis est représentée par B_HYS qui est donné par :

B_HYS =B_OP − B_RP

Nous verrons ci-dessous qu'une notation similaire peut être utilisée pour décrire le fonctionnement des autres types de dispositifs numériques à effet Hall.

Notez qu'en fonction de la conception électronique du capteur, les états activés et désactivés de la sortie du capteur peuvent être à l'opposé de celui illustré sur la figure 3 (logique bas lorsque l'appareil est éteint et logique haut lorsqu'il est allumé).

Commutateurs omnipolaires

La fonction de transfert d'un commutateur omnipolaire est illustrée à la figure 5.

Figure 5

Un interrupteur omnipolaire s'allume avec un fort champ positif ou un fort champ négatif. Comme le montre la figure, lorsque l'amplitude du champ magnétique devient supérieure à B_OP (|B|> B_OP ), l'appareil s'allume et la sortie passe à l'état logique bas. Lorsque l'amplitude du champ B devient inférieure à B_RP (|B| RP ), le capteur s'éteint et la sortie passe à l'état logique haut. La courbe bleue montre la sortie du capteur lorsque le champ B passe d'une grande valeur négative à une grande valeur positive. La courbe rouge montre la sortie pour un champ B décroissant. Avec un commutateur omnipolaire, l'amplitude du point de fonctionnement est la même pour les champs B positifs et négatifs. De même, la magnitude du point de libération est la même pour les champs de polarité sud et nord.

Verrous à effet Hall

La fonction de transfert d'un verrou à effet Hall est illustrée à la figure 6.

Figure 6

Un dispositif de verrouillage a un B_OP positif et un B_RP négatif . Il s'allume par un champ positif suffisamment grand (B> B_OP ) et s'éteint en présence d'un champ de polarité nord suffisamment fort (B RP ). L'hystérésis de l'appareil comprend la région autour de B=0 et va de BRP à B_OP . On sait que le dispositif ne change pas d'état dans la zone d'hystérésis. Supposons que l'on applique un champ positif suffisamment fort pour activer le capteur. Si nous supprimons ce champ, l'appareil détectera un champ magnétique de B=0. Bien qu'aucun champ ne soit appliqué au capteur, il conservera son état précédent et restera allumé. Il ne changera d'état que si nous appliquons un champ fort de polarité opposée. Lorsqu'un champ magnétique faible est appliqué au capteur (B_RP OP ), le capteur conserve sa sortie précédemment produite. Cela explique pourquoi ce dispositif Hall est appelé verrou.

Alors qu'un commutateur unipolaire ou omnipolaire peut changer d'état lorsque l'amplitude du champ appliqué change, un verrou peut détecter la polarité du champ B (à condition que le champ appliqué ait une force suffisante). Les verrous sont généralement utilisés avec des aimants annulaires dans les applications rotatives, par exemple pour détecter la position d'un arbre en rotation. Ceci est illustré à la figure 7.

Figure 7. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'Allegro.

Lorsque l'arbre tourne, la polarité du champ magnétique détecté change et le capteur s'allume/s'éteint en conséquence. Avec un dispositif de verrouillage, les points de fonctionnement et de libération sont de même amplitude mais ont des polarités opposées (B_OP ≠ -B_RP ).

Interrupteurs bipolaires

Avec un interrupteur bipolaire, on ne connaît que la valeur du point de fonctionnement « maximum » et le point de déclenchement « minimum ». Cependant, les valeurs seuils exactes ne sont pas connues. Par conséquent, le fonctionnement exact de l'appareil peut changer d'une unité à l'autre. La figure 8 montre un exemple où B_OP maximum est d'environ 300 gauss et minimum B_RP est d'environ -300 gauss.

Figure 8. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Honeywell.

Pour « Périphérique 1 », les deux B_OP et B_RP sont négatifs. Pour « Device 3 », les deux seuils sont positifs. Un autre échantillon, « Device 2 », a une réponse similaire à celle d'un verrou. Il a un B_OP positif et B_RP négatif . Bien que la fonction de transfert du « Dispositif 2 » ressemble à celle d'un verrou, il convient de noter que les points de fonctionnement et de libération d'un commutateur bipolaire peuvent ne pas être d'égale amplitude (B_OP - B_RP ).

Comme vous pouvez le voir, trois fonctions de transfert différentes sont possibles même pour des appareils du même type qui sont fabriqués ensemble dans le même lot. Selon la note d'application « Bipolar Switch Hall-Effect IC Basics » d'Allegro, seulement environ 10 % des commutateurs bipolaires ont une fonction de transfert similaire à celle de « Device 1 » et « Device 3 ». Les autres ont une réponse de type verrou. Par rapport à un dispositif de verrouillage, un commutateur bipolaire peut offrir une zone d'hystérésis plus étroite (B_HYS =B_OP − B_RP ) et par conséquent, une sensibilité plus élevée. Cependant, étant donné que le mode de fonctionnement d'un commutateur bipolaire peut changer d'une unité à l'autre, nous devons nous assurer que le système fonctionnera correctement pour toutes les valeurs possibles de B_OP et B_RP (dans les limites de plage spécifiées).

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