Maîtriser le magnétisme : les capteurs à effet Hall et les applications pour circuits imprimés

Le magnétisme permet de faire des choses très intéressantes, notamment lorsque les électrons se déplacent dans un champ magnétique. Le capteur à effet Hall est un dispositif utilisant la déviation du mouvement des électrons pour la détection. Ces petits dispositifs sont utilisés dans l'industrie automobile, la fabrication, l'électronique grand public et bien d'autres secteurs. L'effet Hall permet essentiellement de détecter un champ magnétique, ce qui offre plusieurs applications possibles: citons par exemple la détection du mouvement et de la proximité d'objets magnétisés par une mesure directe du champ magnétique.

J'ai réalisé quelques projets dans lesquels un capteur était nécessaire pour mesurer si un couvercle ou un volet était complètement fermés. Un capteur à effet Hall a fourni une solution intéressante en ajoutant un aimant au boîtier. Mais comment ces dispositifs fonctionnent-ils exactement, et comment affectent-t-ils la conception ? Lisez la suite pour en savoir plus sur ces dispositifs uniques.

Les capteurs à effet Hall et la force de Lorentz

Un capteur à effet Hall tire parti, comme son nom l'indique, de l'effet Hall, qui peut se produire dans un métal ou un semi-conducteur. Cet effet repose sur l'interaction de base entre un électron et un champ magnétique. Tout objet chargé électriquement qui se déplace dans une direction perpendiculaire à un champ magnétique subit la force de Lorentz. Cette force est responsable de la production du signal électrique qui sera mesuré à travers le corps de l'appareil.

Cette force fait dévier les particules chargées (électrons et trous dans un semi-conducteur à haute mobilité comme le GaAs, ou électrons dans les métaux) lorsque celles-ci traversent un champ magnétique, la direction étant déterminée par la règle de la main droite. L'effet Hall applique les mêmes idées aux semi-conducteurs, provoquant l'accumulation de charges le long d'un côté du conducteur, et créant un champ électrique qui contrecarre la force du champ magnétique. La force de Lorentz transversale pousse les électrons à suivre une trajectoire courbe le long et vers un côté du semi-conducteur. La règle de la main droite nous indique alors que la direction de la force de Lorentz est en relation avec la direction des électrons.

En plaçant certaines connexions de sortie perpendiculairement à la direction du flux de courant, on obtient un élément de Hall. Une différence de potentiel existe entre le côté supérieur positif et le côté négatif du conducteur. Cette différence de potentiel génère une tension mesurable, appelée tension de Hall.

Bien que la direction du champ magnétique appliquée détermine la polarité de la tension de Hall, la tension reste proportionnelle à l'intensité du champ appliqué. Si l'on supprime le champ magnétique, le courant cesse d'être dévié et la différence de potentiel aux bornes de la sortie tombe alors à zéro. À ce stade, les différentes influences sur la tension deviennent intéressantes.

La tension de Hall dépend de :

• L’amplitude du courant qui circule dans le conducteur
• L’intensité du champ magnétique
• La charge de l'électron élémentaire
• La densité du nombre de porteurs de charge
• L’épaisseur du matériau transportant le courant dévié

Chacun de ces facteurs a un impact sur les semi-conducteurs influencés par l'effet Hall. Le fait de placer une puce de silicium conductrice de courant à angle droit par rapport à un champ magnétique produit la tension de Hall de faible niveau. La tension de Hall est fonction du courant d'entrée.

Lorsqu'il est appliqué aux semi-conducteurs, l'effet Hall crée un commutateur numérique qui produit un signal carré marche-arrêt efficace. L'interruption de la fenêtre entre le champ magnétique et la puce de silicium produit une sortie nulle. La connexion de circuits supplémentaires au semi-conducteur produit l'effet inverse et permet à l'interruption du champ magnétique de produire une augmentation de la tension de sortie.

Les capteurs à effet Hall doivent avoir un faible niveau de bruit

Les capteurs à effet Hall nécessitent un amplificateur à faible bruit et à gain modéré pour amplifier la tension de Hall de 30 µV, et l'ajout d'un régulateur pour maintenir le courant constant. La tension de sortie amplifiée du capteur à effet Hall se produit uniquement en fonction du champ magnétique. En résumé, un interrupteur à effet Hall fonctionne comme un capteur à effet Hall idéal (grâce à la tension de sortie).

Les capteurs numériques à effet Hall détectent le champ magnétique et changent d'état lorsque le capteur atteint le point de fonctionnement. En diminuant le champ magnétique jusqu'à ce que le capteur magnétique atteigne son point de déclenchement, le capteur à effet Hall revient à son état initial.

Les points fondamentaux de la conception des capteurs à effet Hall sont les suivants :

• Déterminer la quantité physique à détecter
• Définir la meilleure approche pour détecter la quantité physique
• Déterminer la meilleure interface d'entrée pour le capteur à effet Hall
• Choisir le meilleur système magnétique
• Sélectionner des capteurs à effet Hall
• Trouver la meilleure interface de sortie

Différents types de capteurs à effet Hall s'intègrent dans la conception des circuits imprimés et comprennent :

• Un capteur de position actionné par une palette
• Un capteur de dents d’engrenage
• Un capteur de courant numérique
• Un capteur de courant linéaire
• Des loquets
• Un capteur de courant en boucle fermée
• Des commutateurs unipolaires
• Des commutateurs à commande mécanique

Alors que les capteurs à effet Hall peuvent représenter un outil puissant dans votre conception de circuits imprimés, la première étape dans l'approche de toute conception de ces derniers sera toujours de savoir quel type de logiciel de conception de circuits imprimés utiliser et quel logiciel dispose des bons outils pour vos besoins. Si vous avez besoin d'accéder à un outil de conception de circuits imprimés facile à utiliser et qui inclut tout ce qui est nécessaire pour construire des circuits imprimés manufacturables de haute qualité, optez pour CircuitMaker.

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