BRPI0515753A2

BRPI0515753A2 - dispositivo integrado para a medição de uma corrente alternada

Info

Publication number: BRPI0515753A2
Application number: BRPI0515753-6A
Authority: BR
Inventors: Jan Petr; Michael Schaller; Peter Hodel; Dirk Pfaff
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 2004-12-04
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2010-06-15
Also published as: WO2006059218A2; WO2006059218A3; CN101120258A; EP1666893A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um dispositivo integrado para a medição de corrente alternada segundo o princípio de indução, esse dispositivo é exposto a um campo magnético (B) que é gerado por uma corrente alternada. Nesse caso, uma disposição de bobinas (2a-f) para a detecção do campo magnético (B) se acha configurada como componente integrado de um chip-semicondutor (1).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVOINTEGRADO PARA A MEDIÇÃO DE UMA CORRENTE ALTERNADA".

A presente invenção refere-se a área técnica dos aparelhos elé-tricos de medição de corrente. A presente invenção refere-se a um dispositi-vo integrado para a medição de uma corrente alternada, tal como ele é usa-do, por exemplo, em um medidor elétrico de eletricidade.

Dispositivos integrados para a medição de correntes alternadassão conhecidos, por exemplo, pela EP 710 844 B1. Esse documento descre-ve o emprego de disposições especiais de bobinas sob a forma de um assimchamado gradiometro com uma unidade de pré-amplificação disposta naproximidade imediata de suas saídas. O objetivo nesse caso é detectar, pormeio do gradiometro, um campo magnético gerado por uma corrente a sermedida e executar um pré-processamento do sinal diretamente na saída dogradiometro. Os sinais de medição disponibilizados por esse gradiometropodem ser, portanto, recebidos e pré-processados pela unidade de pré-amplificador sem interferências devidas a campos externos. Os caminhoscurtos entre a detecção de sinais de medição e uma primeira pré-amplifica-ção desempenham um papel importante no caso dos níveis de sinal em suamaioria baixos.

Apesar de que esse dispositivo integrado tradicional já pretendaobter uma alta precisão de medição com um dispositivo de medição compequenas dimensões geométricas, esse dispositivo não consegue dar contatotalmente das exigências rigorosas quanto à precisão de medição. Tambémo tamanho da estrutura do gradiometro com o circuito integrado semprepermite uma influência sensível de campos de interferência externos, tãosomente devido às dimensões geométricas.

Partindo do estado da técnica desse tipo, a invenção se coloca oobjetivo de disponibilizar um dispositivo integrado para a medição de umacorrente alternada, que possibilite uma medição mais precisa comparativa-mente, mediante a predeterminação de apresentar dimensões geométricasessencialmente menores em relação ao estado da técnica.

De acordo com a invenção, esse objetivo é alcançado por meiodas características da reivindicação 1. Outras configurações vantajosas dainvenção são objeto das reivindicações dependentes de 2 a 5.

Para alcançar o objetivo da invenção, em um dispositivo para amedição de uma corrente alternada é previsto que uma disposição de bobi-nas seja projetada em forma monolítica como parte integrante de um chipsemicondutor. Desse modo, a disposição de bobinas junto com o chip semi-condutor forma uma unidade em comum, que fica exposta em seu conjuntoao campo magnético gerado por uma corrente a ser medida. O sinal de me-dição detectado pela disposição de bobinas permanece diretamente no chipsemicondutor, no qual ocorre no mínimo um primeiro processamento de si-nal decisivo. Os caminhos de entrada entre a disposição de bobinas quemede e uma unidade de processamento de sinais no chip semicondutor são,portanto, insignificantemente pequenos. Desse modo, uma influência decampos de interferência externos sobre a medição propriamente é quaseinsignificante devido à invenção.

Vantajosamente, a disposição de bobinas se acha configuradaem uma camada do chip semicondutor. No sentido da invenção também épossível que a disposição de bobinas se estenda por duas ou mais camadasdo chip semicondutor.

Vantajosamente, a disposição de bobinas se acha disposta es-sencialmente em uma região de borda externa, isto é, na assim chamadaperiferia do chip semicondutor. Devido a isso, a disposição de bobina envol-ve uma área percorrida ativamente que seja a maior possível, para se obterum máximo em tensão de sinal induzida.

Outras vantagens da invenção resultam das reivindicações e daparte descritiva que se segue, na qual são explicadas detalhadamente confi-gurações preferenciais tomando-se como referência o desenho esquemáti-co. Mostra-se:

Figuras 1 a, b: um dispositivo integrado de acordo com a inven-ção para a medição de corrente alternada;

Figuras 2 a, b: uma variante de execução do dispositivo integra-do para a medição de corrente alternada;Figuras 3 a, b: uma outra variante de execução.

Nas figuras 1a e 1b, o número de referência 1 refere-se a umchip semicondutor, o qual abrange uma camada 3 e um processamento desinais 4. A figura 1b, aqui, é uma representação em corte ampliada do corteA-A* na figura 1a. Ao longo de uma borda externa, a assim chamada perife-ria do chip semicondutor 1, dentro da camada 3 se acha configurada umadisposição de bobinas (2a, 2b) como componente integrado do chip semi-condutor.

A disposição de bobinas 2a, 2b se acha projetada para a medi-ção de um campo magnético B, sendo que esse campo magnético pode serempregado como reprodução de um fluxo de corrente, não-mostrado aqui,gerado em um condutor elétrico, também não-mostrado, para a medição dacorrente.

A volta interna de bobina 2b possui um comprimento na mesmae uma largura de condutor bi, e a volta externa de bobina 2a possui umcomprimento ao e também uma largura de condutor bi. Essas designaçõesdo comprimento e da largura das voltas de bobina têm importância em umexemplo prático inserido mais abaixo. A distância entre duas voltas de bobi-na é designada por ba.

As figuras 2a e 2b - de modo similar ao das figuras 1 a e 1b -mostram um dispositivo integrado para a medição indutiva de corrente, coma diferença de que a disposição de bobinas 2a-f se estende por três cama-das 3a, 3b, 3c do chip semicondutor 1, como destaca a figura 2b.

Os dispositivos integrados para a medição de corrente que sãomostrados como exemplos são particularmente apropriados para a mediçãode corrente em contadores eletrônicos para a detecção de unidades de e-nergia correlacionadas. O modo de construção particularmente compacta dochip semicondutor 1, com uma estrutura construída em forma monolítica,abrangendo uma ou mais camadas 3a, 3b, 3c com uma disposição de bobi-nas 2a-f e um processamento de sinais 4 possibilita, por um lado, diminuiressencialmente as dimensões geométricas em comparação com o estado datécnica, e, por outro lado, as linhas de conexão, não-mostradas explicita-mente, entre uma disposição de bobinas 2a-f o processamento de sinais 4são tão pequenas que uma influência de interferência externa se torna insig-nificantemente pequena. A conexão ativa entre a disposição de bobinas 2a-fe o processamento de sinais 4 é quase não influenciável em relação a cam-pos que atuam por fora.

na qual as voltas de bobina 2a-f ficam conectadas entre si em uma interse-ção B-B* de um modo tal que se forme um ponto de conexão de uma tensãode referência Ur com um potencial de referência, e, simetricamente a essatensão de referência, se forma uma tomada de tensão U+ e uma tomada detensão U-. Essas tomadas de tensão U+ e U- são simétricas uma à outra detêm a mesma magnitude. Vantajosamente, essas tensões U+ e U- podemser somadas e/ou subtraídas uma da outra coma finalidade de superar errosde medição.

Um exemplo de execução prático com condições geométricas eelétricas e as solicitações ao processamento de sinal 4 é como se segue:

Exemplo Prático

<table>table see original document page 5</column></row><table>- freqüência do sinal de entrada 50 Hzrad

co:= 314.16--convertida em rad/s s

- indução do sinal de entrada comcarga total (carga máxima) Bm := 40. mT

- resistência superficial do enrolamentode bobina r := 0,08. Q

então:

- a resistência do enrolamento

<formula>formula see original document page 6</formula>

de bobina bi Rc = 20,8 kQ

- densidade de voltagem de ruído da resistência da bobina

<formula>formula see original document page 6</formula>

- tensão de sinal da bobina com indução máxima B = Bm

<formula>formula see original document page 6</formula>

3. Solicitações ao Processamento de Sinal

Para o processamento de sinal da bobina, nesse contexto, sãopredeterminados dois parâmetros importantes:

- DC Offset máximo admissível do processamento de sinal Uo menor do que25% do valor da tensão de sinal máxima Um

- valor mínimo da relação sinal / densidade de ruído do sistema como umtodo com carga máxima osm

<formula>formula see original document page 6</formula>

Com os parâmetros elétricos da bobina expostos acima é possí-vel concretizar as solicitações de processamento de sinal da seguinte maneira:

- DC Offset máximo do processamento de sinal

Uomax := 0.25. Um U0max = 0.598 mV

<formula>formula see original document page 6</formula>

- Densidade de voltagem de ruído máxima admissível do processamento desinal una a partir da densidade de voltagem de ruído do sistema como umtodo un tirando-se a densidade de voltagem de ruído da resistência de bobi-na unc

<formula>formula see original document page 7</formula>

Esses últimos parâmetros apresentados do processamento desinal podem ser concretizados sem problemas com um circuito otimizadocorrespondentemente.

Listagem de Seqüência

1 chip semicondutor

2a-f disposição de bobina

3a-c camadas

4 processamento de sinal

5 camada condutora

ai comprimento de volta de bobina

ao comprimento de volta de bobina

bi largura de volta de bobina

bo largura de volta de bobina

ci largura de condutor de uma volta de bobina

CO distância de condutor

U+ tomada de tensão

U- tomada de tensão

Ur tensão de referência

B campo magnético

Claims

1. Dispositivo integrado para a medição de uma corrente alter-nada segundo o princípio de indução, sendo que esse dispositivo fica expos-to a um campo magnético (B), o qual é gerado pela corrente alternada, ca-racterizado pelo fato de que uma disposição de bobinas (2a-f) para a detec-ção do campo magnético (B) se acha configurada como um componenteintegrado de um chip semicondutor (1).

2. Dispositivo integrado de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado pelo fato de que a disposição de bobinas (2a-f) se acha configuradadentro de uma camada (2) ou de várias camadas (3a-c) do chip semicondu-tor (1).

3. Dispositivo integrado de acordo com uma das reivindicaçõesanteriores, caracterizado pelo fato de que o chip semicondutor (1) abrangepelo menos uma parte de um dispositivo de processamento de sinal (4), oqual se encontra em conexão ativa com a disposição de bobinas (2a-f).

4. Dispositivo integrado de acordo com uma das reivindicaçõesanteriores, caracterizado pelo fato de que a disposição de bobinas (2a-f) es-tá disposta, no essencial, em uma região de borda externa (periferia) do chipsemicondutor (1).

5. Dispositivo integrado de acordo com uma das reivindicaçõesanteriores, caracterizado pelo fato de que a disposição de bobinas (2a-f) seacha configurada como no mínimo uma bobina plana.

6. Circuito integrado de acordo com uma das reivindicações an-teriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos a região da disposiçãode bobinas (2a-f) se acha blindada por meio de pelo menos uma camadacondutora (5).

7. Circuito integrado de acordo com uma das reivindicações an-teriores, caracterizado pelo fato de que um ponto central da disposição debobinas (2a-f) está configurado como tensão de referência Ur, e simetrica-mente a ele acham-se configuradas uma tomada de tensão positiva U+ euma tomada de tensão negativa U- nas extremidades da disposição de bo-binas (2a-f).