FR2846749A1 - Dispositif de mesure de l'intensite d'un courant electrique - Google Patents
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Abstract
Un champ magnétique produit par un enroulement primaire (1) traversé par le courant (i1) à mesurer est équilibré par un champ magnétique de sens contraire créé par un enroulement secondaire (2) traversé par un courant (i2) de compensation. Le dispositif comprend un moyen (3) sensible au champ résultant de l'addition desdits champs magnétiques de sens contraires pour réguler en boucle fermée le courant (i2) de compensation. Suivant l'invention, le moyen (3) sensible est sensible seulement au sens du champ résultant et commande en retour l'inversion du sens de circulation du courant (i2) de compensation dans l'enroulement secondaire (2). Ce moyen sensible (3) peut être constitué par une sonde à effet Hall à signal de sortie bipolaire.Application à la mesure d'un courant en électronique automobile.
Description
I La présente invention est relative à un dispositif de mesure de
l'intensité d'un courant électrique et, plus particulièrement, à un tel dispositif du type à compensation suivant lequel un champ magnétique produit par un enroulement primaire traversé par le courant à mesurer est équilibré par un champ magnétique de sens contraire 5 créé par un enroulement secondaire traversé par un courant de compensation, ce dispositif comprenant un moyen sensible au champ résultant de l'addition desdits champs magnétiques de sens contraires pour réguler en boucle fermée ledit courant
de compensation.
On connaît de tels dispositifs, notamment de DE 196 42 472, DE 197 05 767, 10 DE 197 05 768 et DE 199 19 602. Dans les dispositifs de ce type, l'équilibrage des champs magnétiques développés par les deux enroulements, primaire et secondaire formés sur un même noyau en matériau ferromagnétique, passe par un asservissement du courant alimentant l'enroulement secondaire à une valeur nulle du champ magnétique résultant détecté par le moyen sensible à ce champ. Quand le 15 champ résultant est nul, le courant à mesurer et le courant dans l'enroulement
secondaire sont dans le rapport inverse des nombres de spires de ces enroulements.
Une mesure de l'intensité du courant passant dans l'enroulement secondaire, opérée à l'équilibre des champs, permet donc d'atteindre l'intensité du courant à mesurer. On assure ainsi une parfaite isolation galvanique entre le circuit dans lequel passe le 20 courant à mesurer et le circuit dans lequel passe le courant d'équilibrage.
Dans les dispositifs de ce type, le moyen sensible au champ résultant est le plus souvent constitué par une sonde à effet Hall linéaire, disposée dans un entrefer du noyau ferromagnétique, par exemple. Une telle sonde délivre un signal électrique représentatif à la fois du sens et de l'intensité du flux du champ résultant dans 25 l'entrefer. Pour détecter l'annulation de ce flux, détection dont dépend le bon fonctionnement du dispositif, on traite le signal dans un comparateur et, à l'aide d'une horloge, on peut former un signal modulé en largeur d'impulsion, propre à
commander l'alimentation de l'enroulement secondaire.
Les dérives d'un tel dispositif, dues à des contraintes thermiques et 30 mécaniques comme celles rencontrées couramment par les appareils électroniques embarqués dans des véhicules automobiles par exemple, doivent alors être compensées par des moyens électroniques supplémentaires qui grèvent le cot de fabrication du dispositif. Une solution de ce problème pourrait consister à utiliser une sonde à effet Hall linéaire et programmable, qui intègre couramment des moyens
permettant d'assurer les compensations de dérives thermiques et/ou mécaniques nécessaires. Cette solution est cependant elle aussi grevée par le cot élevé de ces sondes programmables. Elle ne convient donc pas pour des productions de masse destinées à une large clientèle, qui doivent être réalisées aux cots les plus bas 5 possibles, comme c'est le cas notamment de l'électronique embarquée dans des véhicules automobiles.
La présente invention a donc pour but de réaliser un dispositif de mesure de l'intensité d'un courant électrique, du type à compensation, qui soit réalisable à cot
réduit sans compromis, cependant, sur la précision des mesures fournies.
La présente invention a aussi pour but de réaliser un tel dispositif, plus particulièrement adapté à la réalisation de mesure de courant électrique dans
l'environnement d'un véhicule automobile.
On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la
lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif du type décrit en préambule 15 de la présente description, remarquable en ce que le moyen sensible au champ
résultant de l'addition des champs magnétiques de sens contraires développés par les enroulements primaire et secondaire, est sensible seulement au sens dudit champ résultant et commande en retour l'inversion du sens de circulation du courant
de compensation dans ledit enroulement secondaire.
Comme on le verra plus loin en détail, en utilisant pour constituer ce moyen sensible une sonde à effet Hall à signal de sortie bipolaire, disponible dans le commerce, on réalise un dispositif de mesure satisfaisant aux deux contraintes cumulatives formulées ci-dessus, en matière de cot de fabrication et de précision
des mesures obtenues.
Suivant d'autres caractéristiques, optionnelles, du dispositif suivant l'invention: - les enroulements sont formés sur un même noyau en matériau ferromagnétique présentant une hystérésis faible pour assurer une oscillation à cycle limite à une fréquence suffisamment élevée dudit courant de compensation autour d'une valeur correspondant à la compensation exacte du champ créé par ledit 30 enroulement primaire, - le dispositif comprend des moyens de mesure d'une tension aux bornes d'une résistance placée en série avec l'enroulement secondaire, pour en tirer la valeur du courant à mesurer à travers celle du courant de compensation, en variante, le dispositif comprend des moyens de mesure du rapport 35 cyclique du signal de sortie, modulé en largeur d'impulsion, délivré par ledit moyen sensible au sens dudit champ résultant, pour en tirer la valeur du courant à mesurer à travers celle du courant de compensation, le dispositif selon cette variante comprend des moyens de correction en température du circuit de l'enroulement secondaire, - le dispositif comprend un pont de transistors en "H" disposé dans le circuit d'alimentation de l'enroulement secondaire et des moyens pour commander l'inversion par ce pont du sens du courant circulant dans l'enroulement, en réponse
aux transitions du signal délivré par la sonde.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à 10 la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel
la figure unique schématise un mode de réalisation préféré du dispositif suivant l'invention. Sur cette figure, le bloc B schématise un transformateur de courant comportant classiquement un noyau N en un matériau ferromagnétique (rond ou 15 rectangulaire) sur lequel sont bobinés des enroulements primaire 1 et secondaire 2,
destinés à être traversés par le courant il à mesurer et par un courant i2 de compensation respectivement, comme on l'a vu plus haut dans la description du type de dispositif de mesure auquel appartient le dispositif suivant l'invention. Un tel transformateur de courant assure l'isolation galvanique évoquée plus haut et 20 fonctionne pour des courants DC jusqu'à quelques kHz.
Le noyau ferromagnétique N prend avantageusement la forme d'un anneau coupé par un entrefer étroit. Les deux enroulements sont alimentés de manière que les flux de champ magnétique qu'ils développent soient, dans cet entrefer,
colinéaires et de sens contraires.
Pour une raison qui apparaîtra dans la suite, l'enroulement secondaire 2 est représenté, à la figure, décomposé en sa résistance électrique R et son inductance L. Un capteur 3 est placé dans l'entrefer du noyau ferromagnétique N de manière à être sensible au sens du champ magnétique régnant dans cet entrefer, 30 résultant de l'addition des champs contraires développés par les deux enroulements
bobinés sur le noyau ferromagnétique.
L'alimentation en énergie électrique de l'enroulement secondaire 2 est assurée par une source de tension continue +V (couramment de 5 V, en électronique automobile), à travers un classique pont "en H" de 4 transistors Q, à Q4, schématisés 35 à la figure sous la forme d'interrupteurs commandés. Ces transistors peuvent être du type MOSFET. Ils sont alors classiquement associés chacun à une diode de "roue
libre" D1 à D4, respectivement.
La régulation en boucle fermée du courant passant dans l'enroulement secondaire 2 est assurée par des moyens de commande 5 du pont 4, commandés eux-mêmes par le signal de sortie S du capteur 3. Suivant la présente invention, ce capteur 3 est sensible seulement à
l'inversion du sens du champ magnétique régnant dans l'entrefer o il est placé.
Avantageusement ce capteur peut être constitué par une sonde à effet Hall à sortie bipolaire. On trouve une telle sonde dans les catalogues de plusieurs 10 fabricants de composant électroniques et, notamment, dans ceux de la société MICRONAS (Allemagne), en particulier la sonde, dite "Hall switch", référencée
HAL 501 dans la famille de sondes HAL 5xx.
Cette sonde à sortie bipolaire prend la forme d'un circuit intégré comprenant notamment une sonde à effet Hall linéaire délivrant un signal d'alimentation d'une 15 entrée d'un comparateur, la sortie du comparateur commandant la conduction d'un transistor. Quand celui-ci est bloqué (collecteur ouvert), la tension sur la broche de sortie 8 du capteur est "tirée" à + V par la résistance 9 connectée entre cette broche
et la source + V. Quand le transistor est passant, cette broche est à la masse.
Il s'ensuit que le signal de sortie S de la sonde 3 est un signal carré "bipolaire" 20 basculant entre les niveaux de tension +V et 0.
La sonde HAL 501 mentionnée ci-dessus est équipée, notamment, de
moyens de compensation en température et de contraintes mécaniques qui rendent inutile la présence à cet effet de moyens extérieurs. Elle est aussi disponible à bas prix et convient donc pour satisfaire l'objectif de cot réduit fixé à la présente 25 invention.
On va maintenant décrire le fonctionnement d'un dispositif de mesure du
courant suivant l'invention, dont la structure est décrite ci-dessus.
Quand le signal S est positif (niveau +V) le champ magnétique régnant dans l'entrefer du noyau ferromagnétique est orienté dans un sens arbitrairement qualifié 30 de "positif'. Les moyens de commande 5 maintiennent alors la conduction des transistors Q. et Q3. Un courant i2 s'écoule dans un circuit connecté entre les bornes 6 (alors à la tension + V) et 7 (alors à la masse), ces bornes étant communes, respectivement, aux transistors Q1, Q2 et Q3, Q4 respectivement. Ce circuit comprend l'enroulement secondaire 2 et, éventuellement, une résistance CTN 10 (représentée 35 en trait interrompu) montée en série pour une raison que l'on expliquera plus loin. Le courant i2 croît jusqu'à ce que le flux développé par l'enroulement secondaire 2 dépasse celui développé par l'enroulement primaire 1, traversé par le courant i1 à mesurer. A l'inversion du sens du champ résultant dans l'entrefer, le signal S bascule à son niveau bas (potentiel de la masse) avec pour conséquence le blocage des 5 transistors QI, Q3 et la mise en conduction des transistors Q2, Q4 qui appliquent alors une différence de potentiel négative entre les bornes 6 et 7. Il en résulte une décroissance du courant i2 et une nouvelle croissance du champ régnant dans l'entrefer. On comprend que le signal S est du type MLI (ou "PWM" en anglais) à 10 modulation de largeur d'impulsion, et qu'il fait osciller le courant i2 autour d'une valeur moyenne correspondant à un flux nul du champ magnétique dans cet entrefer. Cette oscillation est alors auto-entretenue. Elle est dite "à cycle limite" et résulte de l'hystérésis, faible, du matériau utilisé pour constituer le noyau ferromagnétique (du
Permalloy par exemple).
Pour autant que la fréquence de l'oscillation soit très supérieure à la fréquence de coupure du filtre constitué par l'inductance L et la résistance totale Rt du circuit compris entre les bornes 6 et 7, la valeur moyenne du courant i2 est
directement proportionnelle au courant i1 à mesurer.
On peut tirer i2 d'une simple mesure de la tension aux bornes d'une résistance 20 de mesure Rm placée en série avec l'inductance 2, entre les bornes 6 et 7. Dans ce
cas la résistance R représentée à la figure du dessin correspond à l'addition de cette résistance Rm à la résistance de l'inductance 2. Si Rm est une résistance à faible dérive thermique, le capteur n'a pas besoin d'une quelconque compensation de température, car les dérives thermiques sont compensées par l'asservissement en 25 faisant varier le rapport cyclique.
Suivant une deuxième voie de mesure du courant i2, on tire celui-ci d'une mesure du rapport cyclique ô du signal PWM délivré par le capteur 3. On peut en effet démontrer que, pour une période de commutation T de ce signal très courte par rapport à la constante de temps L/Rt du circuit de l'enroulement secondaire, on a: i = (28 -1) 8 étant le rapport cyclique du signal PWM délivré par le capteur 3 et Rt la résistance
totale du circuit entre les bornes 6 et 7.
La mesure de ce rapport cyclique s'opère sans frais dans un environnement comprenant un calculateur numérique, comme c'est le cas en électronique automobile. Il suffit de délivrer le signal S à un tel calculateur, dment programmé
pour obtenir une mesure de ô et, de là, de i2 et du courant il à mesurer.
Il est alors cependant nécessaire de disposer dans le circuit de l'enroulement secondaire des moyens de compensation en température constitués, par exemple, par une résistance à coefficient de température négative telle que la résistance 10 représentée à la figure unique, pour corriger une dérive en température de la
résistance R et plus particulièrement celle du bobinage également.
On notera que le capteur HAL 501 de Micronas précité présente de hystérésis, en ce sens que les valeurs des champs provoquant le basculement de son signal de sortie dans un sens et dans l'autre ne sont pas normalement identiques. Ce capteur comprend des moyens internes de réglage de cette hystérésis. Lorsqu'on l'utilise dans le cas de la présente invention, il est avantageux 15 de supprimer complètement cette hystérésis, ce que l'homme de métier peut obtenir
normalement à l'aide de ces moyens de réglage.
La précision des mesures de courant obtenues par l'intermédiaire d'une
mesure de tension analogique est de + 0,25% de la pleine échelle de mesure à 250 C, et de +0,4% entre -40'C et +1250C, domaine de température couramment pris en 20 compte en électronique automobile.
La précision des mesures obtenues par l'intermédiaire du rapport cyclique a
du signal PWM est de l'ordre de 1% entre -400C et 1250C.
Il apparaît maintenant que la présente invention permet bien d'atteindre le but
fixé à savoir fournir un dispositif de mesure d'un courant électrique, du type à 25 compensation, qui soit à la fois précis et de cot de réalisation réduit.
Le capteur à effet Hall à sortie bipolaire utilisé dans l'invention présente aussi
l'avantage de n'exiger aucun moyen externe de compensation de température, un tel moyen étant intégré au capteur. Il délivre un signal PWM directement utilisable par un pont de transistors en H. On n'a donc pas besoin d'utiliser un générateur de signal 30 d'horloge et un circuit de modulation PWM pour obtenir un tel signal.
La sortie PWM du capteur est à basse impédance et présente une grande robustesse. Le signal PWM délivré à la sortie collecteur ouvert du transistor de sortie du capteur est très robuste vis-à-vis des bruits induits par l'environnement, ce qui est précieux en électronique automobile. Le courant de sortie étant élevé, il n'a pas a être amplifié avant d'être délivré aux moyens de commande 5 du pont de transistor en H. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que l'invention n'est pas 5 limitée à l'utilisation d'un capteur à effet Hall à sortie bipolaire. On pourrait remplacer ce capteur par une sonde magnéto-résistive conçue pour délivrer un signal PWM
analogue à celui décrit ci-dessus.
Claims (8)
1. Dispositif de mesure de l'intensité d'un courant électrique, du type à compensation suivant lequel un champ magnétique produit par un enroulement primaire (1) traversé par le courant (il) à mesurer est équilibré par un champ 5 magnétique de sens contraire créé par un enroulement secondaire (2) traversé par un courant (i2) de compensation, ce dispositif comprenant un moyen (3) sensible au champ résultant de l'addition desdits champs magnétiques de sens contraires pour réguler en boucle fermée ledit courant (i2) de compensation, caractérisé en ce que ledit moyen (3) sensible est sensible seulement au sens 10 dudit champ résultant et commande en retour l'inversion du sens de circulation du
courant (i2) de compensation dans ledit enroulement secondaire (2).
2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen sensible (3) est constitué par une sonde à effet Hall à signal de sortie bipolaire.
3. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2;
caractérisé en ce que lesdits enroulements (1, 2) sont formés sur un même noyau (N) en matériau ferromagnétique présentant une hystérésis propre à assurer une oscillation à cycle limite dudit courant (i2) de compensation autour d'une valeur correspondant à la compensation exacte du champ créé par ledit enroulement 20 primaire (1).
4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure d'une tension aux bornes d'une résistance (Rm) placée en série avec l'enroulement secondaire (2), pour en tirer la valeur du courant
(i1) à mesurer, à travers celle du courant de compensation (i2).
5. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure du rapport cyclique (8) du signal de sortie modulé en largeur d'impulsion, délivré par ledit moyen sensible (3) au sens dudit champ résultant, pour en tirer la valeur du courant (il) à mesurer, à travers celle du courant
de compensation (i2).
6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (10) de correction en température du circuit dudit enroulement
secondaire (2).
7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 6,
caractérisé en ce qu'il comprend un pont (4) de transistors en "H" disposé dans le 35 circuit d'alimentation dudit enroulement secondaire (2) et des moyens (5) pour commander l'inversion par ledit pont (4) du sens du courant (i2) circulant dans ledit
enroulement (2), en réponse aux transitions du signal délivré par ladite sonde (3).
8. Application du dispositif conforme à l'une quelconque des
revendications 1 à 7, à la mesure d'un courant électrique en électronique automobile.
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