FR2827962A1 - Dispositif de mesure a effet hall de l'intensite d'un courant electrique - Google Patents

Dispositif de mesure a effet hall de l'intensite d'un courant electrique Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de mesure à effet Hall de l'intensité d'un courant électrique simple, économique, facile à mettre en oeuvre, permettant de réaliser des mesures d'intensité fiables avec une grande précision, insensibles aux champs de mode commun et adaptables à plusieurs calibres d'intensité. Ce dispositif de mesure (1) comporte deux modules de mesure (11, 11'), chacun étant pourvu d'un capteur à effet Hall (8, 8'), ces modules étant disposés de part et d'autre d'un conducteur électrique (2) traversé par le courant à mesurer et agencés pour délivrer chacun une tension (V, V') de signe opposé. Il comporte un module amplificateur-différentiel (14) qui reçoit les deux tensions (V, V') et délivre une tension différentielle (Vdiff) traitée dans un module de traitement (18). Il comporte un module d'équilibrage (20) qui corrige un des modules de mesure (11, 11') pour que Vdiff soit égale à zéro quand les capteurs à effet Hall (8, 8') sont soumis à un même champ magnétique de même signe induit par deux bobines (9, 9') en série et alimentées par un même courant. Il comporte également un module de calibrage (22) qui permet de corriger les tensions (V, V') d'un même coefficient (Kcal) de calibration pour obtenir une tension différentielle égale à une valeur prédéterminée pour une intensité prédéterminée.

Description

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DISPOSITIF DE MESURE A EFFET HALL DE L'INTENSITE D'UN COURANT ELECTRIQUE La présente invention concerne un dispositif de mesure à effet Hall de l'intensité d'un courant électrique, comportant au moins un module de mesure pourvu d'au moins un capteur à effet Hall et agencé pour délivrer une tension proportionnelle à l'intensité du courant à mesurer dans un conducteur électrique et au moins un module de traitement de cette tension en vue de délivrer une valeur de l'intensité mesurée.
Il existe plusieurs types de dispositifs permettant de mesurer l'intensité d'un courant traversant un conducteur électrique. Les plus connus sont sans doute les transformateurs de courant qui nécessitent une mise en oeuvre particulière et sont relativement encombrants et coûteux. Un tore doit en effet être monté sur chaque conducteur électrique qui forme le primaire d'un transformateur, le secondaire étant formé par une bobine enroulée sur le tore et délivrant un signal de tension proportionnel à l'intensité mesurée.
D'autres dispositifs utilisent un capteur à effet Hall positionné plus ou moins à proximité du conducteur électrique à contrôler. Les capteurs à effet Hall sont bien connus dans divers domaines pour leur capacité à délivrer entre leurs bornes une tension dite de Hall proportionnelle au champ magnétique qui les traverse, sous réserve qu'ils soient soumis à un courant de polarisation. Par conséquent, si un capteur à effet Hall est placé à proximité d'un conducteur électrique traversé par un courant, ce capteur va être traversé par les lignes du champ magnétique induit autour du conducteur par le courant, ce champ magnétique étant proportionnel à l'intensité de ce courant. Ainsi, le capteur va délivrer un signal de tension entre ses bornes qui sera représentatif de l'intensité du courant traversant le conducteur électrique. Il suffit ensuite de traiter ce signal pour obtenir une valeur exploitable.
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Néanmoins, ces capteurs à effet Hall sont particulièrement sensibles aux autres flux magnétiques environnants ou parasites qui ont pour effet de fausser la mesure d'intensité. De ce fait, ces capteurs ne permettent pas à ce jour d'obtenir des mesures d'intensité fiables et reproductibles.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un dispositif de mesure à effet Hall qui permet de réaliser des mesures d'intensité fiables avec une grande précision, qui soit insensible aux flux environnants et qui soit facilement adaptables à plusieurs calibres d'intensité.
Dans ce but, l'invention concerne un dispositif de mesure à effet Hall du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce qu'il comporte deux modules de mesure, chacun étant pourvu d'un capteur à effet Hall, ces deux modules de mesure étant disposés de part et d'autre du conducteur électrique traversé par le courant à mesurer et agencés pour délivrer chacun une tension de signe opposé, et en ce qu'il comporte au moins un module différentiel agencé pour soustraire les deux tensions en sortie des modules de mesure et délivrer une tension différentielle destinée à être traitée dans le module de traitement.
Dans une forme de réalisation préférée, le dispositif de mesure comporte un module d'équilibrage des deux modules de mesure, ce module d'équilibrage étant agencé pour corriger la tension en sortie d'au moins un desdits modules de mesure de manière que le module différentiel délivre une tension différentielle égale à zéro quand les capteurs à effet Hall des deux modules de mesure sont soumis à un champ magnétique identique et de même signe.
Ce module d'équilibrage comporte, de manière avantageuse, deux bobines montées en série, chacune étant positionnée au-dessus d'un capteur à effet Hall, ces bobines
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étant traversées par un même courant et agencées pour générer dans chaque capteur à effet Hall ledit champ magnétique identique et de même signe.
Ce module d'équilibrage peut comporter au moins un comparateur agencé pour délivrer un signal carré et au moins une unité de contrôle de l'équilibrage destinée à recevoir le signal carré et agencée pour ajuster le courant de polarisation du capteur à effet Hall d'au moins un module de mesure jusqu'à supprimer ce signal carré en sortie dudit comparateur.
Dans la forme de réalisation préférée, le dispositif de mesure comporte au moins un module de calibrage agencé pour corriger les tensions en sortie des deux modules de mesure d'un facteur d'amplification en fonction du calibre de l'intensité du courant à mesurer.
De manière préférentielle, le dispositif de mesure est constitué d'un circuit intégré sur une puce de silicium, au moins lesdits modules de mesure, différentiel, d'équilibrage et de calibrage étant formés dans ladite puce de silicium.
La puce de silicium est logée, avantageusement, dans un boîtier isolant pourvu de pattes de raccordement, cette puce de silicium étant connectée aux dites pattes de raccordement par des fils électriques de liaison.
Dans la forme de réalisation préférée, le dispositif de mesure comporte au moins une piste conductrice formée sur ou dans ladite puce de silicium et constituant ledit conducteur électrique à mesurer. Cette piste conductrice peut comporter une partie médiane rétrécie, lesdits capteurs à effet Hall étant disposés de part et d'autre de cette partie médiane.
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La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue de côté simplifiée et agrandie du dispositif de mesure selon l'invention, la figure 2 est une vue de dessus d'un détail du dispositif de la figure 1, la figure 3 est une vue schématique et très agrandie de la puce de silicium du dispositif de mesure de la figure 1, et la figure 4 représente schématiquement le circuit électronique du dispositif de mesure de l'invention.
En référence aux figures 1 et 2, le dispositif de mesure 1 à effet Hall selon l'invention est destiné à mesurer l'intensité d'un courant électrique traversant un conducteur électrique 2 d'un circuit électrique à contrôler. Ce dispositif de mesure 1 est constitué, dans la forme de réalisation illustrée, d'un circuit intégré dans une puce de silicium 3. Cette puce de silicium 3 est logée dans un boîtier 4 isolant pourvu de pattes de raccordement 5. Elle est connectée aux pattes de raccordement 5 du boîtier 4 par des fils électriques de liaison 6, appelés communément des fils de bonding .
Le circuit intégré dans une puce de silicium 3 peut être remplacé par exemple par un circuit imprimé sur un substrat ou par tout autre circuit équivalent. Néanmoins, la technologie du circuit intégré dans une puce de silicium est bien connue et largement utilisée puisqu'elle permet de réaliser à moindre coût et dans un format très miniaturisé, les circuits et les composants électroniques nécessaires pour assurer une ou plusieurs fonctions, comme la fonction mesure qui concerne la présente invention.
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Cette puce de silicium 3 comporte, sur une couche d'isolation 7, une piste conductrice 2 constituant le conducteur électrique à mesurer et destinée à être raccordée au circuit électrique à contrôler. Cette piste conductrice 2 peut également être intégrée dans la puce de silicium 3. Cette piste conductrice 2 comporte une partie médiane rétrécie de part et d'autre de laquelle sont positionnés deux capteurs à effet Hall 8,8' (cf. fig. 2). La figure 2 est une vue de dessus très agrandie du détail A de la figure 1. A titre indicatif, la grande largeur de la piste conductrice 2 équivaut à 800 jm. Bien entendu, cette largeur est donnée à titre d'exemple et peut varier selon le dispositif de mesure 1 et la valeur du courant à mesurer.
En référence à la figure 3, le dispositif de mesure 1 comporte un module d'équilibrage des capteurs à effet Hall 8, 8' pourvu notamment de deux bobines 9,9' montées en série. Chaque bobine 9,9'est positionnée au-dessus d'un des capteurs à effet Hall 8,8'. Cette figure 3 est une vue en perspective très agrandie de la puce de silicium 3 sur laquelle sont schématisés les capteurs à effet Hall 8,8', les bobines 9, 9'en série et la piste conductrice 2.
La figure 4 illustre le circuit électronique 10 du dispositif de mesure 1 selon l'invention qui est miniaturisé sous forme d'un circuit intégré dans la puce de silicium 3. Ce circuit électronique 10 comporte deux modules de mesure 11, 11' comportant chacun un des capteurs à effet Hall 8,8'. Chaque module de mesure 11, 11'comporte une alimentation de polarisation 12,12'définissant le courant de polarisation Ipol, Ipol'de chaque capteur à effet Hall 8,8', un amplificateur 13,13' et une des bobines 9,9'du module d'équilibrage. Chaque module de mesure 11, 11' délivre une tension V, V'amplifiée d'un coefficient K, K'et proportionnelle au champ magnétique B, B'qui traverse chaque capteur à effet Hall 8,8', lui-même
Figure img00050001

proportionnel à l'intensité du courant à mesurer dans la piste conductrice 2. La tension en sortie de chaque module de mesure 11, 11's'écrit :
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Figure img00060001

V=KxBxIpol et V'= K'x B'x Ipol'
Figure img00060002

La piste conductrice 2 étant positionnée entre les deux capteurs à effet Hall 8, 8', le champ magnétique B, B'induit dans chaque capteur à effet Hall 8, 8'par le courant traversant ladite piste conductrice 2 est de signe contraire. Donc les tensions V et V' en sortie des modules de mesure 11, 11'sont de signe contraire.
Ce circuit électronique 10 comporte un module amplificateur-différentiel 14 qui reçoit à ses bornes d'entrée les tensions V, V', fait la différence entre ces deux tensions et délivre entre ses bornes de sortie une tension différentielle Vdiff amplifiée
Figure img00060003

d'un coefficient Kdiff. Cette tension s'écrit :
Figure img00060004

Vdiff=Kdiffx (V-V) Si V =-V', alors Vdiff = Kdiff x 2 x V Un filtre 15,15'du type condensateur-résistance suivi d'un étage tampon 16,16', appelé communément un buffer , sont prévus entre chaque module de mesure 11, 11'et le module amplificateur-différentiel 14 pour éliminer le bruit dû aux fréquences parasites. De même, en sortie du module amplificateur-différentiel 14 est prévu un filtre passe bande 17 pour éliminer le bruit dû aux fréquences parasites. Un module de traitement 18 de la tension différentielle Vdiff est prévu à la sortie du filtre passe bande 17. Ce module de traitement 18 peut être intégré dans la puce de silicium 3 ou extérieur au dispositif de mesure 1 selon les besoins. Il permet de transformer la tension différentielle Vdiff en une valeur correspondant à l'intensité du courant à mesurer, cette valeur pouvant être exploitée par tout système de traitement de l'information.
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Le circuit électronique 10 comporte un module d'équilibrage 20 constitué d'un comparateur 19, par exemple un comparateur à hystérésis permettant de délivrer un signal carré, ainsi que d'une unité de contrôle de l'équilibrage 21 qui va analyser ce
Figure img00070001

signal carré et agir sur un des modules de mesure 11, 11'. L'objectif de ce module d'équilibrage 20 est de corriger la tension V, V'en sortie d'au moins un des modules de mesure 11, 11'de manière que le module amplificateur-différentiel 14 délivre une tension différentielle Vdiff égale à zéro quand les deux modules de mesure 11, 11' sont soumis à un champ magnétique B, B'identique et de même signe.
Ce module d'équilibrage 20 comporte les deux bobines 9,9'montées en série et alimentées par un même courant. Ces bobines 9,9'sont gravées dans la puce de silicium 3 et présentent de ce fait des caractéristiques techniques exactement identiques. Par conséquent, le courant qui les traverse induit dans chaque capteur à effet Hall 8,8'un champ magnétique Béq exactement identique et de même sens.
Dans la phase d'équilibrage, les champs magnétiques B et B'sont identiques et
Figure img00070002

égaux à Béq. Les tensions V et V'en sortie des modules de mesure 11, 11' peuvent donc s'écrire :
Figure img00070003

v = K x Béq x Ipol et V'= K'x Béq x Ipol'
Figure img00070004

Les coefficients K et K'peuvent être différents et dépendent des dérives de fabrication qui sont inévitables. Si les deux modules de mesure 11, 11'sont équilibrés, alors V et V'sont égaux, la tension différentielle Vdiff est égale à zéro et le comparateur 19 ne délivre aucun signal carré. A l'inverse, si les deux modules de mesure 11, 11'sont déséquilibrés, alors V est différent de V', la tension différentielle Vdiff n'est pas nulle et le comparateur 19 délivre un signal carré. L'unité de contrôle 21 va donc agir directement sur l'alimentation de polarisation 12,12'd'un des modules de mesure 11, 11'pour faire varier son courant de polarisation Ipol ou Ipol' jusqu'à ce que V soit égal à V'. Si l'équilibrage est atteint alors l'unité de contrôle 19
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émet un signal équilibrage OK en fin de processus. A l'inverse, si l'équilibrage n'est pas possible, en dehors de la plage de réglage du courant de polarisation, alors l'unité de contrôle 19 émet un signal équilibrage impossible . Dans ce cas, le dispositif de mesure 1 est considéré comme défectueux et doit être remplacé.
Une fois l'équilibrage effectué, tout champ magnétique parasite, appelé communément champ magnétique de mode commun comme par exemple un champ magnétique provenant d'un transformateur d'alimentation adjacent au dispositif de
Figure img00080001

mesure 1, induira des tensions V et V'identiques et de même signe en sortie des deux modules de mesure 11, 11'et, par conséquent, une tension différentielle Vdiff nulle. On obtient l'égalité suivante :
Figure img00080002

K x Ipol = K'x Ipol'
Figure img00080003

Et on observe que si les courants de polarisation Ipol et Ipol'sont multipliés d'un même facteur Kcal, cette égalité est conservée.
Une fois l'équilibrage effectué, seul un champ magnétique différentiel Bdiff, correspondant à la différence des champs magnétiques B et B'induits dans les capteurs à effet Hall 8 et 8'en sens opposés, engendre une tension différentielle Vdiff en sortie du module amplificateur-différentiel 14. Cette tension différentielle peut s'écrire :
Figure img00080004

Vdiff = Kdiff x Bdiff x (K x Ipol) Le circuit électronique 10 comporte également un module de calibrage 22, intégré ou non à la puce de silicium 3, qui permet de délivrer une tension différentielle Vdiff adaptée à une valeur de courant électrique parfaitement connue traversant la piste
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conductrice 2. A cet effet, ce module de calibrage 22 multiplie les deux courants de polarisation Ipol et Ipol'par un même coefficient de calibrage Kcal.
Avant la première mise en service du dispositif de mesure 1 selon l'invention, il doit être équilibré puis calibré. Les deux bobines 9,9'montées en série sont alimentées par un même courant et le module d'équilibrage 20 va automatiquement corriger d'un coefficient Kéq le courant de polarisation Ipol ou Ipol'd'un des modules de mesure 11 ou 11'pour obtenir une tension différentielle Vdiff égale à zéro. L'unité de contrôle de l'équilibrage 21 mémorise ce coefficient Kéq de correction.
Ensuite, le dispositif de mesure 1 doit être calibré en fonction de l'intensité 1 du courant à mesurer, par exemple 1 A ou 5 A ou 10 A. La piste conductrice 2 est alors alimentée par un courant parfaitement connu et la tension différentielle Vdiff obtenue est analysée. Si elle ne correspond pas à une valeur souhaitée, l'unité de calibrage 22 corrige les deux courants de polarisation Ipol et Ipol'd'un coefficient de calibrage Kcal permettant d'obtenir cette valeur souhaitée.
Après avoir réalisé ces opérations d'équilibrage et de calibrage qui peuvent bien entendu être effectuées soit par le fabricant du dispositif de mesure 1, soit par l'intégrateur de ce dispositif, le dispositif de mesure 1 est inséré dans le circuit électrique à contrôler. Le conducteur électrique à mesurer est connecté à l'entrée et à la sortie de la piste conductrice 2. Les pattes de raccordement sont connectées à l'unité de traitement 18 qui est soit interne au dispositif de mesure 1, soit externe.
Ce dispositif de mesure 1 permet de mesurer de manière continue l'intensité du courant traversant la piste conductrice 2. La tension différentielle Vdiff en sortie du filtre passe bande 17 est envoyée vers l'unité de traitement 18 qui l'interprète et en déduit une valeur affichable de cette intensité.
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Grâce aux deux capteurs à effet Hall 8,8'et au module amplificateur-différentiel 14, tout champ magnétique parasite dit de mode commun est automatiquement supprimé et la valeur de l'intensité obtenue correspond réellement à l'intensité du courant qui parcourt la piste conductrice 2.
Il ressort clairement de cette description que l'invention permet d'atteindre les buts fixés de manière simple, économique et fiable. Le dispositif de mesure 1, après équilibrage, permet de supprimer automatiquement tout champ magnétique de mode commun. Il s'adapte parfaitement à différentes plages d'intensité puisqu'il peut être facilement calibré. Ce dispositif de mesure 1 est également de très petite taille et peut s'adapter facilement à différentes configurations de mise en oeuvre.
La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier tout en restant dans les revendications annexées.

Claims (9)

  1. Revendications 1. Dispositif de mesure (1) à effet Hall de l'intensité d'un courant électrique, comportant au moins un module de mesure (11, 11') pourvu d'au moins un capteur à effet Hall (8,8') et agencé pour délivrer une tension (V, V') proportionnelle à l'intensité du courant à mesurer dans un conducteur électrique (2) et au moins un module de traitement (18) de cette tension en vue de délivrer une valeur de l'intensité mesurée, caractérisé en ce qu'il comporte deux modules de mesure (11, 11'), chacun étant pourvu d'un capteur à effet Hall (8,8'), ces deux modules de mesure (11, 11') étant disposés de part et d'autre dudit conducteur électrique (2) traversé par le courant à mesurer et agencés pour délivrer chacun une tension (V, V') de signe opposé, et en ce qu'il comporte au moins un module différentiel (14) agencé pour soustraire les deux tensions (V, V') en sortie des modules de mesure (11, 11') et délivrer une tension différentielle (Vdiff) destinée à être traitée dans ledit module de traitement (18).
  2. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un module d'équilibrage (20) des deux modules de mesure (11, 11'), ce module d'équilibrage (20) étant agencé pour corriger la tension (V, V') en sortie d'au moins un desdits modules de mesure (11, 11') de manière que le module différentiel (14) délivre une tension différentielle (Vdiff) égale à zéro quand les capteurs à effet Hall (8,8') des deux modules de mesure (11, 11') sont soumis à un champ magnétique (Béq) identique et de même signe.
  3. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le module d'équilibrage (20) comporte deux bobines (9, 9') montées en série, chacune étant positionnée au-dessus d'un capteur à effet Hall (8,8'), ces bobines (9,9') étant traversées par un même courant et agencées pour générer dans chaque capteur à effet Hall (8,8') ledit champ magnétique (Béq) identique et de même signe.
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  4. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que le module d'équilibrage (20) comporte au moins un comparateur (19) agencé pour délivrer un signal carré et au moins une unité de contrôle de l'équilibrage (21) destinée à recevoir le signal carré et agencée pour ajuster le courant de polarisation (Ipol, Ipol') du capteur à effet Hall (8,8') d'au moins un module de mesure (11, 11') jusqu'à supprimer ce signal carré en sortie dudit comparateur (19).
  5. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module de calibrage (22) agencé pour corriger les tensions (V, V') en sortie des deux modules de mesure (11, 11') d'un facteur d'amplification (Kcal) en fonction du calibre de l'intensité du courant à mesurer.
  6. 6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un circuit intégré sur une puce de silicium (3), au moins lesdits modules de mesure (11, 11'), différentiel (14), d'équilibrage (20) et de calibrage (22) étant formés dans ladite puce de silicium (3).
  7. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite puce de silicium (3) est logée dans un boîtier (4) isolant pourvu de pattes de raccordement (5), cette puce de silicium (3) étant connectée aux dites pattes de raccordement (5) par des fils électriques de liaison (6).
  8. 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une piste conductrice (2) formée sur ou dans ladite puce de silicium (3) et constituant ledit conducteur électrique à mesurer.
    <Desc/Clms Page number 13>
  9. 9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite piste conductrice (2) comporte une partie médiane rétrécie, lesdits capteurs à effet Hall (8, 8') étant disposés de part et d'autre de cette partie médiane.
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