L’effet Hall a été découvert par Edwin Hall en 1879, mais il a fallu attendre de nombreuses années avant que les développements technologiques permettent aux circuits intégrés de tirer pleinement parti de ce phénomène. Aujourd’hui, les circuits intégrés de capteurs à effet Hall offrent un moyen pratique d’obtenir des mesures de courant précises qui maintiennent une isolation électrique entre le trajet du courant mesuré et le circuit de mesure.
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De Lorentz à Hall
L’effet Hall est une extension de la force de Lorentz, qui décrit la force exercée sur une particule chargée – comme un électron – se déplaçant dans un champ magnétique. Si le champ magnétique est orienté perpendiculairement à la direction du mouvement de l’électron, celui-ci subit une force qui est perpendiculaire à la fois à la direction du mouvement et à l’orientation du champ magnétique.
L’effet Hall désigne la situation dans laquelle la force de Lorentz agit sur les électrons qui se déplacent dans un conducteur, de sorte qu’une différence de potentiel électrique – autrement dit, une tension – se développe entre les deux côtés du conducteur.
Notez que les flèches de ce deuxième schéma indiquent le sens de circulation du courant conventionnel, ce qui signifie que les électrons se déplacent dans la direction opposée. La direction de la force de Lorentz est régie par une règle de droite qui tient compte de la direction dans laquelle l’électron se déplace par rapport au champ magnétique. Dans le premier schéma, l’électron se déplace vers la droite, et la force de Lorentz est dirigée vers le haut. Dans le second schéma, les électrons se déplaçant vers la gauche, la force de Lorentz est dirigée vers le bas, et la charge négative s’accumule donc vers le bord inférieur du conducteur. Le résultat est une différence de potentiel qui se développe entre le bord supérieur et le bord inférieur du conducteur, le bord supérieur étant plus positif que le bord inférieur. Cette différence de potentiel est appelée tension de Hall :
$V_{Hall}=-\frac{IB}{eρt}$
Cette équation, qui s’applique à une plaque conductrice de courant, nous indique que la tension de Hall est liée à l’amplitude du courant qui traverse le conducteur (I), à l’intensité du champ magnétique (B), à la charge électronique élémentaire (e), au nombre d’électrons par unité de volume (ρ) et à l’épaisseur de la plaque (t).
Maîtriser l’effet Hall
Les tensions générées par l’effet Hall sont faibles par rapport au bruit, aux décalages et aux effets de température qui influencent généralement un circuit, et donc les capteurs pratiques basés sur l’effet Hall n’étaient pas très répandus jusqu’à ce que les progrès de la technologie des semi-conducteurs permettent d’obtenir des composants hautement intégrés qui incorporent un élément Hall et des circuits supplémentaires nécessaires pour amplifier et conditionner la tension Hall. Cependant, les capteurs à effet Hall sont toujours limités dans leur capacité à mesurer de petits courants. Par exemple, l’ACS712 d’Allegro MicroSystems a une sensibilité de 185 mV/A. Cela signifie qu’un courant de 10 mA ne peut pas être mesuré. Cela signifie qu’un courant de 10 mA produirait une tension de sortie de seulement 1,85 mV. Cette tension peut être acceptable si le circuit a un faible plancher de bruit, mais si une résistance de 2 Ω pouvait être incluse dans le chemin du courant, la tension de sortie de 20 mV qui en résulterait constituerait une amélioration majeure.
L’effet Hall est pertinent pour une variété d’applications de capteurs ; les dispositifs basés sur cette relation relativement simple entre le courant, le champ magnétique et la tension peuvent être utilisés pour mesurer la position, la vitesse et l’intensité du champ magnétique. Dans cet article, cependant, nous nous concentrerons sur les dispositifs qui mesurent le courant via la tension de Hall générée lorsqu’un champ magnétique induit par le courant mesuré est concentré vers un élément à effet Hall intégré.
Pros et Cons
Les caractéristiques de performance varient d’un capteur de courant à effet Hall à l’autre, il est donc difficile de résumer précisément les avantages et les inconvénients de la détection à effet Hall par rapport à l’autre technique courante de détection du courant ; à savoir, l’insertion d’une résistance de précision dans le chemin du courant et la mesure de la chute de tension résultante avec un amplificateur différentiel. En général, cependant, les capteurs à effet Hall sont appréciés pour leur caractère « non intrusif » et pour leur isolation électrique entre le trajet du courant et le circuit de mesure. Ces dispositifs sont considérés comme non intrusifs parce qu’aucune résistance importante n’est insérée dans le trajet du courant, et donc le circuit mesuré se comporte presque comme si le capteur n’était pas présent. Un avantage supplémentaire est que la puissance minimale est dissipée par le capteur ; ceci est particulièrement important lors de la mesure de courants importants.
En ce qui concerne la précision, les capteurs à effet Hall actuellement disponibles peuvent atteindre une erreur de sortie aussi faible que 1%. Un circuit résistif de détection de courant bien conçu pourrait dépasser cette valeur, mais 1% serait généralement suffisant dans les applications à courant élevé/haute tension pour lesquelles les dispositifs à effet Hall sont particulièrement adaptés.
Les inconvénients des capteurs à effet Hall incluent une gamme de fréquences limitée et un coût plus élevé. L’ACS712 offre une bande passante interne de 80 kHz, et le Melexis MLX91208, qui est commercialisé comme un dispositif » large bande « , est spécifié jusqu’à 250 kHz. Un circuit résistif de détection du courant avec un amplificateur à haute vitesse, d’autre part, pourrait fonctionner bien au-delà de la gamme des mégahertz. En outre, comme nous l’avons vu plus haut, l’effet Hall est intrinsèquement limité en ce qui concerne la mesure des petits courants.
Isolation
L’un des avantages dominants des capteurs à effet Hall est l’isolation électrique, qui, dans un contexte de conception de circuit ou de système, est souvent appelée isolation galvanique. Le principe de l’isolation galvanique intervient chaque fois qu’une conception exige que deux circuits communiquent d’une manière qui empêche toute circulation directe de courant électrique. Un exemple simple est le passage d’un signal numérique dans un opto-isolateur, qui convertit les impulsions de tension en impulsions lumineuses et transmet ainsi les données par voie optique plutôt qu’électrique. L’une des principales raisons de la mise en œuvre de l’isolation galvanique est de prévenir les problèmes liés aux boucles de masse :
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Les principes de base de la conception de circuits supposent que les composants interconnectés partagent un nœud de masse commun, qui est supposé être à 0 V. Dans la vie réelle, cependant, le » nœud de masse » est composé de conducteurs ayant une résistance non nulle, et ces conducteurs servent de voie de retour pour le courant circulant du circuit vers l’alimentation. La loi d’Ohm nous rappelle que le courant et la résistance produisent une tension, et ces chutes de tension dans le chemin de retour signifient que la « terre » dans une partie du circuit ou du système n’est pas au même potentiel que la « terre » dans une autre partie. Ces différences de potentiel de masse peuvent entraîner des problèmes allant de négligeables à catastrophiques.
En empêchant le passage direct du courant entre deux circuits, l’isolation galvanique permet aux circuits ayant des potentiels de masse différents de communiquer avec succès. Cela est particulièrement pertinent pour les applications de détection de courant : un capteur basse tension et un circuit de traitement peuvent avoir besoin de surveiller des courants importants et très variables dans, par exemple, un circuit d’entraînement de moteur. Ces courants importants, qui changent rapidement, entraînent des fluctuations de tension considérables dans le circuit de retour. Un capteur à effet Hall permet au système à la fois de surveiller le courant d’entraînement et de protéger le circuit de capteur de haute précision de ces fluctuations de masse préjudiciables.
Tension en mode commun
Une autre application importante des capteurs à effet Hall est la mesure de courant impliquant des tensions élevées. Dans un circuit de détection de courant résistif, un amplificateur différentiel mesure la différence de tension entre un côté d’une résistance et l’autre. Un problème se pose toutefois lorsque ces tensions sont importantes par rapport au potentiel de la terre :
Les amplificateurs réels ont une » plage de mode commun » limitée, ce qui signifie que le dispositif ne fonctionnera pas correctement lorsque les tensions d’entrée, bien que petites l’une par rapport à l’autre, sont trop importantes par rapport à la terre. La plage de mode commun des amplificateurs de détection de courant ne dépasse généralement pas 80 ou 100 V. Les capteurs à effet Hall, en revanche, peuvent convertir le courant en tension sans référence au potentiel de masse du circuit mesuré. Par conséquent, tant que les tensions ne sont pas assez importantes pour causer des dommages physiques, la tension en mode commun n’affecte pas le fonctionnement d’un dispositif à effet Hall.