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Techniques

Différence entre détection de courant et détection de position par effet Hall

Par Nick Czarnecki, Directeur Marketing, Melexis

Publication: 9 juillet

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La détection, sous toutes ses formes, est fondamentale pour de nombreuses applications...
 

Elle implique invariablement un matériau servant de transducteur, pour convertir une grandeur physique en une autre plus facilement exploitable. En électronique, l’élément détecteur possède certaines propriétés physiques comme sa résistance ou sa réactance qui changent sous l’effet de la grandeur physique à détecter, ce qui génère une variation de courant ou de tension que l’on peut mesurer.

Effet Hall

En 1879, Edwin Hall a découvert que lorsqu’un conducteur ou un semi-conducteur traversé par un courant électrique circulant dans une direction était introduit perpendiculairement à un champ magnétique, cela donnait naissance à une tension mesurable perpendiculairement au trajet du courant. Il est bien établi que l’effet "Hall" résulte de l’interaction de particules chargées, comme les électrons, avec des champs électriques et magnétiques.

S’agissant de capteurs, l’effet Hall est mis en évidence, soit par une différence de tension mesurable sur un conducteur dans lequel passe un courant constant, soit par une différence de courant mesurable sur un conducteur aux extrémités duquel une tension constante est appliquée. La différence de tension est proportionnelle à l’intensité du champ magnétique. Cela signifie que l’effet Hall peut être utilisé de deux manières différentes, même si l’effet sous-jacent est le même dans les deux cas.

Le niveau du signal dû à la variation du champ, par rapport au bruit de fond, est faible (de l’ordre du μV) et nécessite donc un chemin de signal assez sophistiqué pour pouvoir exploiter l’effet Hall.

Sans vouloir dévaloriser en aucune façon la découverte d’Edwin Hall, l’effet Hall est en fait une extension de la mise en oeuvre de la force de Lorentz, qui décrit l’interaction entre les forces électrique et magnétique, et une charge ponctuelle, sous l’effet des variations d’un champ électromagnétique.

En termes simples, dans le cas de l’effet Hall, la force de Lorentz décrit l’effet d’un champ magnétique sur une particule chargée, plus précisément la direction qu’elle est contrainte de suivre lorsqu’elle traverse un conducteur soumis à un champ magnétique. Le mouvement physique entraîne une charge plus ou moins importante à la surface du conducteur, qui entraîne une différence de potentiel appelée "tension de Hall".

Détection de courant par effet Hall

Le fait que l’effet Hall soit dépendant d’un champ magnétique signifie qu’il s(agit d’une technologie sans contact et donc non-intrusive, contrairement à la méthode de détection de courant la plus courante, qui consiste à utiliser une résistance de faible valeur comme shunt et à mesurer la chute de tension à travers celle-ci. L’utilisation de l’effet Hall pour la mesure du courant est intrinsèquement robuste dans le cas d’applications de forte puissance, car elle n’utilise pas le potentiel de terre comme référence.

Avec un capteur de courant à effet Hall classique, cela signifie qu’il faut placer le capteur perpendiculairement au champ magnétique et utiliser un concentrateur en général un noyau ferromagnétique en forme d’anneau ou de carré que l’on place autour du conducteur traversé par le courant à mesurer. Le capteur est généralement maintenu dans un petit entrefer formé entre les deux extrémités du noyau ferromagnétique.

Dans le cas d’un capteur de courant IMC-Hall®, l’élément détecteur est positionné parallèlement au flux de courant. Ainsi, aucun noyau ferromagnétique n’est nécessaire, mais un blindage peut s’avérer utile pour assurer l’immunité au crosstalk (couplage parasite). Cela signifie que le capteur peut être utilisé pour mesurer le courant circulant dans un bus-barre ou une piste de circuit imprimé, simplement en le positionnant au-dessus du bus-barre ou de la piste. Ce type de capteur est réalisable avec la technologie IMC-HallⓇ, qui fait appel au concentrateur IMC (Integrated Magnetic Concentrator, ou concentrateur magnétique intégré) développé par Melexis (voir plus bas).

Pour être exact, c’est le champ magnétique généré par le courant qui est détecté grâce à l’effet Hall, plutôt que le courant lui-même.

Détection de position par effet Hall

Le même principe peut servir à détecter la présence, l’absence ou la proximité d’un champ magnétique. En effet, la tension de Hall générée par le passage d’un aimant au dessus du capteur peut être détectée, amplifiée et traitée. Cela permet d’utiliser l’effet Hall pour détecter la position ou même l’orientation d’un objet par rapport au capteur.

Dans certains cas simples, le capteur peut assurer une détection relativement grossière, par exemple confirmer si un ordinateur portable est ouvert ou fermé. Dans d’autres cas plus complexes, le capteur peut détecter un mouvement linéaire ou une rotation, comme la variation de position d’un objet mobile. À cet égard, l’utilisation de l’effet Hall pour la détection de position est beaucoup plus polyvalente que pour la détection de courant.

Concentrateur IMC

L’un des inconvénients de la plupart des capteurs à effet Hall - qui tient au principe même de l’effet - est que la plaque Hall servant à détecter le champ est limitée à un seul axe.

Le concentrateur magnétique intégré (IMC), mis au point par Melexis, remédie à cet inconvénient, en rendant l’effet Hall beaucoup plus polyvalent. L’IMC permet aux capteurs à effet Hall, tout en restant dans un plan, de détecter les champs magnétiques selon trois axes X, Y et Z. Par conséquent, les avantages de ces capteurs sont multiples, dont notamment une grande liberté d’orientation donc de positionnement.

Détection à effet Hall dans l’automobile

L’existence même de la technologie IMC permet de recourir à l’effet Hall pour de nombreuses applications dans l’automobile. Grâce à son fonctionnement selon trois axes, le capteur IMC-Hall® est capable de détecter la position des pédales, la rotation de la colonne de direction, ou l’état du levier de frein, ou encore la position des sièges à commande électrique.

Il peut aussi servir sous le capot pour surveiller certaines pièces mobiles comme des pompes ou des moteurs. Dans le cas de véhicules électriques (EV), hybrides électriques (HEV) ou hybrides rechargeables (PHEV), ces capteurs peuvent servir à mesurer le courant consommé par les différents composants électriques du groupe motopropulseur, comme l’onduleur, le système de surveillance des batteries (BMS pour Battery Monitoring system en anglais) ou le chargeur embarqué (OBC pour On-Board Charger en anglais).

Conclusion

En termes simples, l’effet Hall permet plein d’applications utiles, grâce à ses capacités de détection de courant et de détection de position.

Malgré certaines difficultés, comme le faible rapport signal/bruit ou l’impact des champs parasites, l’industrie électronique a réussi à développer des solutions de détection robustes et précises basées sur l’effet Hall.

En particulier, l’ajout d’un frontal analogique puissant et d’un chemin de signal numérique, ainsi que certaines technologies propriétaires comme l’IMC-HallⓇ de Melexis, permettent d’utiliser l’effet Hall aussi bien pour la mesure de courant que pour la détection de position, même dans des environnements difficiles comme l’automobile.

http://www.melexis.com/

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