FR3083320A1 - Circuit imprime integrant un pont diviseur de courant - Google Patents
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Abstract
Circuit imprimé comportant une première piste (44), une deuxième piste (45) et au moins une couche isolante (43) s'étendant entre la première piste et la deuxième piste, le circuit imprimé comportant de plus un premier ensemble traversant d'au moins un premier trou métallisé (47) et un deuxième ensemble traversant d'au moins un deuxième trou métallisé (48), chaque premier trou métallisé et chaque deuxième trou métallisé reliant la première piste et la deuxième piste en s'étendant au travers de la couche isolante , le premier ensemble traversant et le deuxième ensemble traversant formant respectivement une première branche et une deuxième branche d'un pont diviseur de courant .
Description
L'invention concerne le domaine des circuits imprimés intégrant un pont diviseur de courant.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Un capteur de courant à vanne de flux utilise la propriété d'un matériau magnétique formant un noyau ma /;/ (^ 'saturer /'/à (partir d' un /cer t ain ( /niveau ( y 7 (/-d'excitation(( magnét ique . (En/(référence-/ à las un champ magnétique H croissant, la pente de la fonction de transfert entre le champ magnétique H et l'induction 10 magnétique B diminue grandement à partir d'une valeur dite de saturation du noyau magnétique. La valeur de saturation, sur la figure 1, correspond aux intervalles ΔΗ y ' (i/e(t AB. I< ç i / />1
En référence aux figures 2 et 3, dans un capteur de 15 courant à vanne de flux classique 1 destiné à mesurer un courant Im circulant sur un conducteur, un générateur designaux rectangulaires 2 applique une tension d'excitation rectangulaire Vex aux bornes d'un enroulement d'excitation 3 enroulé autour d'un noyau magnétique 20 4. Le courant d'excitation lex circulant dans / il 'enroulement: d'exci tât ion 3 es t i mesuré- par i un module dé mesure 5. Un détecteur de crêtes 6, relié au module de mesure 5, fournit deux informations : le niveau de satu' ) ' ) /ration et la (différence des/ ^courants de crête du courant: 25 d'excitation lex. Le niveau de saturation permet d'asservir l'amplitude de la tension d'excitation Vex. La différence des courants de crête du courant d'excitation lex permet d'estimer le courant à mesurer Im et d'asservir, via un convertisseur de tension en courant 7, 30 1 / (V^ circule / ) /to 8/ et qui (permet/ de compenser le flux magnétique produit dans le noyau magné( // t iqüê( 4 par/ lé dôïïiaht à /mësurêr Im. / ( / (( · ((( / ( / ( - (
Les capteurs de courant à vanne de flux sont privi35 légiés dans un certain nombre d'applications. C'est no2 tamment le cas pour la mesure d'un courant circulant dans un organe de coupure de type SSPC (pour « Solid State Power Controller ») à destination d'un équipement utilisateur, ou bien pour la mesure d'un courant circulant dans 5 un organe de conversion d'énergie de type PEM (pour « Po 1 wëfiElëctAoriic·· Modulé ») relier a une phase- d'un Moteur·,?
Lorsque le courant à mesurer Im est important, une difficulté majeure se présente.
Le courant de démagnétisation, qui permet de compen10 y y ser- le'if lux magnét ique produit dans le noyau magnét ique 4 par le courant à mesurer Im, doit être lui aussi très important. La valeur du courant de démagnétisation doit être égale à celle du courant à mesurer Im divisé par le rapport de transformation du transformateur ayant pour 15 enroulement primaire le conducteur sur lequel circule le courant à mesurer Im et pour enroulement secondaire y ' '1 ' enr oulement de démagnétisation 8. y- ' I ; ' y y 1' ' ' / y
Or, le nombre de spires de l'enroulement de démagnétisation 8 est limité par son encombrement et par 20 l'inductance résultante. Plus l'inductance est élevée, plus la vitesse de changement du courant de démagnétisation sera limitée, et donc plus la bande passante du capteur de capteur de courant à vanne de flux 1 sera limitée. Ainsi, augmenter le nombre de spires de 25 l'enroulement de démagnétisation 8 ne constitue pas une y y y solut ion përtinëntë'·, · ' i i · · y ?ï · ? >
Augmenter directement le courant de démagnétisation généré ne constitue pas non plus une solution pertinente. En effet, cette augmentation implique de produire une 30 tension de démagnétisation très importante, ce qui est complexe à réaliser avec des composants standards.
OBJET DE L'INVENTION i y\? ι - y /L' invehliohu ëty dé? rés'oüdfë ' le problème qui vient d'être évoqué,
RESUME DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, on propose un circuit imprimé comportant une première piste, une deut ? eh? au? ?m©ins^ une ’couche· ?±solateë te entre la première piste et la deuxième piste, le circuit imprimé comportant de plus un premier ensemble traversant d'au moins un premier trou métallisé et un deuxième ensemble traversant d'au moins un deuxième trou métallisé, chaque premier trou métallisé et chaque deuxième trou métallisé reliant la première piste et la deuxième piste en 10 s'étendant au travers de la couche isolante, le premier ensemble traversant et le deuxième ensemble traversant formant respectivement une première branche et une deuxième branche d'un pont diviseur de courant.
Dans un circuit imprimé tel que le circuit imprimé 15 selon l'invention, les caractéristiques électriques du 1 y 1 / teeniite troulte lûtpateaihement’??xëproductublea. A:insi·, ?ïe rapportl/tetré -la résistance de la première branche et la résistance de la deuxième branche du pont diviseur de courant est connu 20 ' très? précisément·. i l 1 r / 1 11 if ' ?? ????? ?^ ?
Le pont diviseur de courant permet donc par exemple de réduire un courant principal que l'on souhaite mesu' ' ? hem,; ' eh- h'obbente ainsi un courant? a mesurer’ réduit •dont le rapport avec le courant principal est parfaitement 25 connu. On estime donc le courant principal à partir d'une mesure d'un courant à mesurer réduit.
Ainsi, en intégrant le pont diviseur de courant dans ? n i un? ?capheur ’de; obuxant?? à Whn’è? ;tei?ilïïx, oh rétedt? ?lë^ cbü?????? ?rate ?à' ?më’Steër et? oh? réteit? pax conséquent/ te ?couxant ?de 30 démagnétisation nécessaire pour compenser le flux magnétique produit dans le noyau mâgnétique du capteur de courant à vanne de flux par ledit courant à mesurer.
?? ? ? ?On propose· aus si un cap teur / de couEant ?à ? vanne te flux comportant un circuit imprimé tel que celui qui 35 vient d'être décrit.
A
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode de mise en œuvre particulier non limitatif de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
II sera fait référence aux dessins annexés, parmi
Ç i / lésqüels/ u ' i l 5 la figure 1 représente la courbe d'une fonction de transfert entre un champ magnétique et une induction ' : : ' magnétique· Ç: : ' ' :' ' 5 : ' >: //:
- la figure 2 représente un capteur de courant à vanne de flux existant ; : ' la figure 3 représente la courbe d'une tension d'excitation et la courbe d'un courant d'excitation qui : :iéxcitënt > :un: ihozat :magnéti/queu j duT cepteur: de çcouranti :à
15:5 vanne de: fTux existant - :; : : : 3 : ' : 7 ::: : : - la figure 4 représente un nouveau capteur de courant à vanne de flux ;
la figure 5 représente un pont diviseur de courant intégré dans un circuit imprimé selon l'invention et utilisé pour mesurer un courant à mesurer ;
: une: vue en coupe du circuit imprimé selon l'invention dans lequel est intégré le pont :: - : di viseùr de: c'Oüxant:: ; 5' :: 11 - : - ç i l :
la figure 7 est une vue analogue à celle de la if igure 6, mais de dessus.: : : : : : : : :
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la figure 4, un capteur de courant à vanne de flux 10 est ici utilisé pour mesurer un courant à mesurer Im qui circule sur un conducteur 11.
Le capteur de courant à vanne de flux 10 comporte un transformateur 12 comprenant un noyau magnétique 13, un enroulement primaire et un enroulement secondaire. L'enroulement primaire est le conducteur 11. Le noyau magnétique 13 s'étend autour du conducteur 11.
L'enroulement secondaire est un enroulement de mesure 14
5:
enroulé autour du noyau magnétique 13.
Le capteur de courant à vanne de flux 10 comporte' une pluralité de composants électroniques formant une partie numérique 15 et une partie analogique 16.
La partie numérique 15 comporte un composant de traitement numérique qui est en l'occurrence un FPGA mais qui pourrait être un composant différent : microcontrôleur, processeur, ASIC, etc.
Le capteur de courant à vanne de flux 10 comprend de d'acquisition 17 appartient à la partie analogique 16.
Le circuit d'acquisition 17 est relié à l'enroulement de mesure 14.
Le circuit d'acquisition 17 comprend un filtre 15 passe-haut 19 et un convertisseur analogique numérique 20 connecté à une sortie du filtre passe-haut 19.
Le convertisseur analogique numérique 20 est ici un 1 ç çmdnvemtisseur 12 bits dont le / fonctionnement- -est dadehcè: à une fréquence Fech. Ici Fech = 100MHz. Le convertisseur 20 analogique numérique 20 pourrait bien sûr présenter des caractéristiques différentes.
Le circuit d'acquisition 17 acquiert une tension démesure analogique Ve aux bornes de l'enroulement de mesure 14. La tension de mesure Ve est appliquée en 25ç ; centrée du tiltrel passe-haut -19.- - 1 c; ; :C ' ; i' o; c l
La tension résultante est appliquée en entrée du convertisseur analogique numérique 20 qui produit un signal de mesure numérique Sm.
Le capteur de courant à vanne de flux 10 comprend un 30 générateur haute fréquence 22. Le générateur haute fréquence 22 est intégré dans le FPGA (on pourrait remplacer le terme « intégré » par l'un des termes : programmé, implémenté, mis en œuvre, etc.)
Le générateur haute fréquence 22 produit un signal 35 de référence numérique de fréquence fO, un signal de &
référence numérique de fréquence 2.f0 et un signal de référence numérique de fréquence 3.f0.
Le signal de référence numérique de fréquence fO est ; 1 · / ' ·'''1 fr 1 Sir = ?sirï (mOt )1. 1 1 1 U \ 1? ' 1 1 ; <1 '///'/
Le signal de référence numérique de fréquence 2.f0 ; 1 \ est ' ici dei la/ ;foræe - r ' - -111/ γ / c (2.œOty. 11 / 1 1 / /p /
Le signal de référence numérique de fréquence 3,f0 /1 lest ici de? la forme r ' / / ' 1 / / t 1 till /1/1 ?S 1 >/!-< / i
Le capteur de courant à vanne de flux 10 comprend de plus un circuit d'excitation 23. Le circuit d'excitation 23 est implémenté dans le FPGA.
Le circuit d'excitation 23 est relié au générateur haute fréquence 22.
Le circuit d'excitation 23 comporte un circuit d'excitation brute 24 et un circuit d'asservissement d'excitation 25.
Le circuit d'excitation brute 24 reçoit le signal de référence numérique de fréquence fO et le signal de référence numérique de fréquence 3.f0 et produit à partir de ces signaux un signal d'excitation partiel numérique de 1 fréquence f 0 / ' et ' un ' - ; 'signal d'exci t at ion 'partiel numérique de fréquence 3.f0.
Le signal d'excitation partiel numériquede / il fréquence f0 est ici de la forme r ' f ' / 1 - j - ' ?
?1 ' Slp- =: >! .: s in (œOty. ?/<///// : ç /l '1
Le signal d'excitation partiel numériquede fréquence 3.f0 est ici de la forme:
/ / S3p? =? 12'. sin (3 . ©0t) .?'?''/' ;; ?'/?''' ? i?1
Le circuit d'excitation brute 24 additionnele signal d'excitation partiel numérique de fréquence fO et le signal d'excitation partiel numérique de fréquence
3.f0 pour générer un signal d'excitation numérique brut. Le signal d'excitation numérique brut est de la forme : Seb = Slp + S3p = kl.sin(mOt) + k2.sin(3o0t) .
Le circuit d'asservissement d'excitation 25 est re5 lié au générateur haute fréquence 22.
Le circuit d'asservissement d'excitation 25 reçoit le signal de référence numérique de fréquence 3.f0 et produit à partir du signal de référence numérique de fré· üh signal de démodulation numérique de/ f ré10 ' quence/ 3. f 0. ' ç i / ' / . /1 / /' /
Le signal de démodulation numérique de fréquence i i i 3. f O'/est/ ici idé- là 'forme · i· ri Λ : .
/ S3d/ = k3:tsdn ( 3 . sO t ): . ' i f f < - i / / //1/// <
Le circuit d'asservissement d'excitation 25 comporte un premier multiplieur 27, un deuxième multiplieur 28, un intégrateur 29 et un premier amplificateur 30. Le premier amplificateur 30 est connecté à une sortie de 1' intégrateuri:2;9i.ïir 'i<· 7·λçL /i/ r' éfiu f
Le premier multiplieur 27 multiplie le signal de 20 mesure numérique Sm par le signal de démodulation numérique de fréquence 3.f0. Le signal résultant est // / /appliqué· ëh éhfréevdél^^
On note que le premier multiplieur 27 et l'intégrateur 29 jouent le rôle d'un premier démodulateur / synchrone/.- .///1// ////1/////1^/
Le premier amplificateur 30 produit alors un signal d'erreur numérique. Le deuxième multiplieur 28 multiplie le signal d'excitation numérique brut Seb par le signal d'erreur numérique pour obtenir un signal d'excitation 30 numérique. Le signal d'excitation numérique est de la /' / 7 / forme//·· <'///// / /' / .. . /./7·'///.''/..////... //.///'//'./////////
Se = kO . ( kl. sin (caOt ) + k2 . sin ( 3m0t ) ) .
Le capteur de courant à vanne de flux 10 comprend de plus un circuit d'asservissement de démagnétisation 32.
8·
Le circuit d'asservissement de démagnétisation 32 est intégré dans le FPGA.
Le circuit d'asservissement de démagnétisation 32 est relié au générateur haute fréquence 22.
Le circuit d'asservissement de démagnétisation 32 reçoit le signal de référence numérique de fréquence 2.f0 et produit à partir du signal de référence numérique de
| fréquence 2 . f0 fréquence 2.f0. | uh- | signa· 1 dé démodulât idh ' | numérique de | |
| 10 | 1 7 - he h signal^ | de | démodulation numérique | de fréquence |
| 7 ' 2 » f 0 -est/ i ci de | la | formé; : 7/ 7il 1 i l 1 a | ||
| S2d = k4.cos(2. | fflfâtj | « |
Le circuit d'asservissement de démagnétisation 32 comporte un troisième multiplieur 33, un filtre passe-bas 15 34 et un deuxième amplificateur 35. Le deuxième amplificateur 35 est connecté à une sortie du filtre passe-bas llli/Mvl liili 1
Le troisième multiplieur 33 multiplie le signal de mesure numérique Sm par le signal de démodulation numé20 rique de fréquence 2.f0. Le signal résultant est appliqué en entrée du filtre passe-bas 34. Le deuxième amplificateur 35 produit alors un signal image numérique du cou ' ' 1' 'tant' àt-mesùtëï· 'Ifi, -qui est- AüsSd· çùhl Signàd; bel-démâgnét i sation numérique Sdm. Le signal image numérique, ou si25 gnal de démagnétisation numérique Sdm, est de la forme ' -Sditï = 'k.· Im. ' 1 μ ' ' ' ' ' ? ? il / i
On note que le troisième multiplieur 33 et le filtre y passeHaassynchrone.
Le capteur de courant à vanne de flux 10 comprend de l'ç plus un sommateur 36. Le sommateur 36 est implémenté dans '· [ lie FPGA. g 7 y 1 i ·· > Le sommateur 36 somme le signal d'excitation numérique Se et le signal de démagnétisation numérique Sdm 35 pour obtenir un signal d'injection numérique Si.
Si = kO. (kl. sin(cOt) + k2.sin(3a0t)) + klm.
Le capteur de courant à vanne de flux 10 comporte en outre un circuit d'injection 37. Le circuit d'injection 5 37 appartient à la partie analogique 16.
Le circuit d'injection 37 est relié au sommateur 36
7' Let- à ll'IenrouLementL de mesure 14/ < ? i 77 7 77
Le circuit d'injection 37 comprend un convertisseur numérique analogique 38.
Le convertisseur numérique analogique 38 est ici un convertisseur 12 bits dont le fonctionnement est cadencé à la fréquence Fech (Fech = 100MHz). Le convertisseur numérique analogique 38 pourrait bien sûr présenter des caractéristiques différentes.
Le convertisseur numérique analogique 38 acquiert le signal d'injection numérique Si, produit un courant d'excitation analogique le à partir du signal d'injection numérique Si, et injecte le courant d'excitation le dans > / 7 (T'-phroulement de mesure 14.
On décrit maintenant le fonctionnement du capteur de ό 7 :courant: à vanne -de/ f lux ' LO·. - g >7 Lil 7
Le circuit d'excitation 23 génère un signal d'excitation numérique Se, qui est transformé en un courant d'excitation le et injecté dans l'enroulement de me25 7 L su r eL 14.7; 7/ ' 7 7 7 7 7' /7 7
La tension de mesure Ve est acquise puis numérisée pour produire un signal de mesure numérique Sm.
En sortie du deuxième amplificateur 35, on obtient un signal image numérique du courant à mesurer Im. Ce si30 gnal image numérique est utilisé pour estimer le courant 7' o ' à mesurer -Im. τ ; 7 7 //- // 7
Le signal image numérique est aussi un signal de démagnétisation numérique Sdm qui permet de compenser le flux magnétique produit par le courant à mesurer Im.
Grâce au sommateur 36 et par mise en parallèle, on additionne· rique Sdm et le signal d'excitation numérique Se. Le courant d'excitation le permet donc à la fois d'exciter le 5 noyau magnétique 13 et de démagnétiser le noyau magnétique 13. Le courant de démagnétisation est donc intégré dans le courant d'excitation le.
La saturation du noyau magnétique 13 provoque une dissymétrie de la tension de mesure Ve, ladite tension de 10 mesure Ve étant constituée par la somme d'une composante de fréquence fO en sin(mOt), correspondant à la fondamentale, et d'une composante de fréquence 2.f0 en cos(2œ0t), correspondant à la composante harmonique d'ordre 2.
On note que l'amplitude du signal d'excitation par15 tiel numérique de fréquence fO et celle du signal d'excitation partiel numérique de fréquence 3.f0 sont réglées pour obtenir un courant d'excitation le dont la composante de fréquence 3,f0 (ou composante harmonique fréquence· 20 t f 0 ( ou f oridamëntaie) . ç ; i il ç
La composante harmonique d'ordre 3 de la tension de mesure Ve, obtenue après démodulation synchrone via le ; 'premiere démodulateur synchrone, ))) est tposit ive. En Pas! de) saturation du noyau magnétique 13, la composante harmo25 nique d'ordre 3 est atténuée plus fortement que la fondamentale et la composante harmonique d'ordre 3 après démodulation synchrone devient négative, car l'harmonique d'ordre 3 passe en opposition de phase avec la fondamen• ) ; taie, t ) \ if o )i ç ( ) 11 o )<)))).·
Ainsi, lorsque le courant d'excitation le est tel que le noyau magnétique 13 se rapproche de la saturation, le rapport de l'amplitude de la composante harmonique ' 1- /d' ordre 1 let de l'amplitude de la composante harmonique d'ordre 3 de la tension de mesure Ve évolue jusqu'à annu35 lation de la composante harmonique d'ordre 3, puis
Il jusqu'à inversion de phase de la composante harmonique d'ordre 3. Le point de fonctionnement correspondant à l'annulation de la composante harmonique d'ordre 3 de la tension de mesure Ve est donc un point de fonctionnement 5 optimal du capteur de courant à vanne de flux 10. Ce point de fonctionnement optimal correspond au coude 9 de /1^ τ de la figure 1.
En sortie du premier amplificateur 30, on obtient un ' ' signal· d7 erreur humé riqué. / ? - t >c t t / ' Cil / 1 10 Le signal d'erreur numérique permet d'asservir le courant d'excitation le. L'asservissement consiste à contrôler le courant d'excitation le pour annuler la compote santé: harmonique d7 /ordre: 3 ; -de la t en si on · de me S-ur a Ve. Le capteur de courant à vanne de flux 10 fonctionne ainsi en 15 permanence sur le point de fonctionnement optimal. On obtient de la sorte un gain maximal des dissymétries introduites par le courant à mesurer Im et détectables sur la tension de mesure Ve. On note que cet asservissement par démodulation synchrone de la composante harmonique 20 d'ordre 3 est peu sensible aux perturbations électromagnétiques externes, car tous les signaux de fréquence différente de la fréquence 3.f0 génèrent des produits d'intermodulation dont les composantes sont filtrées par le filtre passe-bas 34 connecté en sortie du troisième 25 multiplieur 33. On note par ailleurs que cet asservissement n'a pas besoin d'être très rapide, car les variations provenant de paramètres extérieurs (température, vieillissement) sont relativement lentes.
Ainsi, l'enroulement de mesure 14 est utilisé à la 30 fois pour exciter le noyau magnétique 13, pour contrôler cette excitation, pour mesurer le courant à mesurer Im, et pour compenser le flux magnétique produit dans le noyau magnétique 13 par le courant à mesurer Im (démagnéI t' tisation): ' t y ' ' y t 1 cl/t
La mutualisation de ces fonctions sur un seul enroulement de mesure 14 permet de simplifier, de réduire le coût et la masse, et de faciliter la fabrication du capteur de courant à vanne de flux 10.
On note par ailleurs que la chaîne de traitement de la mesure est principalement numérique : un unique FPGA permet de mettre en œuvre une grande partie de cette ' / /chaîna ; dé ; traitement/./ j Z i /1
La numérisation de la chaîne de traitement augmente la fiabilité et la robustesse de celle-ci (notamment en température), réduit son coût, facilite sa fabrication et améliore sa reproductibilité industrielle.
L'amélioration de la régulation du point de fonctionnement grâce à la démodulation par le premier démodu15 lateur synchrone permet par ailleurs d'obtenir une meilleure immunité aux bruits . / /i ta i / / /// // ; /
De plus, l'utilisation des démodulateurs synchrones permet de fonctionner à haute fréquence, ce qui autorise une bande passante importante du courant à mesurer Im 20 tout en conservant une très bonne immunité aux perturbations électromagnétiques externes.
Comme la mesure se fait toujours dans le point de // ta fonctionnement optimal correspondant au coude 9 de/ a ration, la sensibilité du capteur de courant à vanne de 25 flux 10 est constante dans la plage de température. La précision du capteur de courant à vanne de flux 10 est donc bonne dans une plage importante de température.
Comme on l'a indiqué plus tôt, le capteur de courant ; / /1 / à. \ vahne: de f lux 110 ; aesur e un tourant à /mesurer îffi qui 30 / circule sur un -conducteur /11/. ç Zç t - / - /// / / / ? /
Cette situation ne soulève pas de difficulté particulière lorsque le courant à mesurer Im est faible (inférieur à IA par exemple).
Cependant, lorsque le courant à mesurer est impor35 tant, une difficulté majeure se présente.
Le courant de démagnétisation, qui permet de compenser le flux magnétique produit dans le noyau magnétique 13 par le courant à mesurer Im, doit être lui aussi très important. La valeur du courant de démagnétisation doit 5 être égale à celle du courant à mesurer divisé par le rapport de transformation du transformateur 12, associé aux caractéristiques de l'enroulement primaire et de / · ; ; ; ; 1' enroulement secondaircb /yl/c
Or, le nombre de spires de l'enroulement de mesure 10 14 est limité par son encombrement et par l'inductance résultante. Plus l'inductance est élevée, plus la vitesse de changement du courant de démagnétisation (issue du signal de démagnétisation numérique Sdm) sera limitée, et donc plus la bande passante du capteur de courant à vanne 15 de flux 10 sera limitée. Ainsi, augmenter le nombre de spires de l'enroulement secondaire n'est pas une solution efficace.
Augmenter le courant de démagnétisation n'est pas non plus une solution efficace. En effet, cela implique 20 de générer une tension de démagnétisation très importante sous un courant de démagnétisation important, ce qui est i / //complexe a réaliser avec des composant s standards. ; 3
On note que ce problème n'est pas propre au capteur de courant à vanne de flux 10 qui vient d'être décrit, 25 mais concerne tout les capteurs de courant à vanne de flux (et notamment ceux qui comportent un enroulement dé7 / /// A. : â/c là /. ; o // / ' 1 /.'' /Ai'1
Pour résoudre cette difficulté, on met en œuvre un pont diviseur de courant de manière à réduire la valeur 30 du courant à mesurer.
En référence aux figures 5 à 7, le capteur de courant à vanne de flux 10 comprend un circuit imprimé selon l'invention 40 sur lequel sont notamment montés la pluralité de composants électroniques formant la partie numé35 rique 15 et la partie analogique 16.
Le circuit imprimé selon l'invention 40 comprend ici une première couche conductrice 41, une deuxième couche conductrice 42 et une couche isolante 43. La première couche conductrice 41 et la deuxième couche conductrice
42 s'étendent ici chacune sur une face opposée du circuit imprimé 40.
La première couche conductrice 41 comprend une première piste 44 et la deuxième couche conductrice 42 comprend une deuxième piste 45. La couche isolante 43 10 s'étend donc entre la première piste 44 et la deuxième c ( ipisie 45<.· ; 1/^ s 71 <<1: 1
Le circuit imprimé 40 comporte de plus un premier ensemble traversant d'au moins un premier trou métallisé 47 et un deuxième ensemble traversant d'au moins un deu15 xième trou métallisé 48. Ici, en l'occurrence, le premier ensemble traversant comprend plusieurs premiers trous méI 11 tallisési 47 et le deuxième ensemblel traversants comprend' plusieurs deuxièmes trous métallisés 48. Les premiers trous métallisés 47 et les deuxièmes trous métallisés 48 20 ont ici tous un même premier diamètre.
Un « trou métallisé » pourrait aussi être appelé un « via ». Le « trou métallisé » peut être réalisé par tout type de procédé. Le « trou métallisé » peut en particulier être rendu conducteur par dépôt d'un matériau métal25 lique ou de tout type de matériau conducteur. Le « trou métallisé » peut aussi être rendu conducteur par insertion d'un tube ou d'un rivet métallique, ou de tout type / 7 âe conductëuii ' < 7' I ' '7 7 77 y 777
Chaque premier trou métallisé 47 et chaque deuxième 30 7 trousmétallisésl 8' relient la premières pist e 44 et< la' /deuÇ ' 7 7 xi ème pi s ta 4 57 en s ' é tendant ' aus travers; :de la couche; i sd' larite 13. 7177 '7 7 si 7;
Le premier ensemble traversant et le deuxième ensemble traversant forment respectivement une première •15' bran cfte 51 et/ uhé deuxième· /braiiche/ 52 d'/uu >©n/b /diviseur de courant 53.
Ainsi, le courant à mesurer Im est en réalité ici non pas un courant principal Ip dont on veut connaître la '' ' valeur , ) mais· le ' courant/ à mesurer ïm est issu · d' une division du courant principal Ip et est utilisé pour estimer la valeur du courant principal Ip. Le courant principal
Ip circule dans la première piste 44, dans la première ' / L braneheu 51 et, la/ deuxième^ tranche' 52 du//pont/•diviseur /dé· 10 courant 53, et dans la deuxième piste 45.
On voit bien ici que le conducteur 11 évoqué plus deuxième ensemble traversant (ou la deuxième branche 52). Ici, le courant principal Ip est égal à 10A.
Le nombre de premiers trous métallisés 47 du premier ensemble traversant est neuf fois plus important que celui de deuxièmes trous métallisés 48 du deuxième ensemble traversant. La deuxième résistance de la deuxième branche est donc neuf fois plus élevée que la première résis- tance de la première branche 51.
Le courant à mesurer Im, circulant dans la deuxième branche 52 du pont diviseur de courant 53, est égal à IA, alors que le courant circulant dans la première branche 51 du pont diviseur de courant 53 est égal à 9A.
On met ici à profit les propriétés de reproductibilité des caractéristiques électriques de plusieurs trous métallisés de même diamètre et adjacents sur le même circuit imprimé 40.
La première résistance de la première branche 51 et la deuxième résistance de la deuxième branche 52 sont mal connues mais leur rapport, lui, est connu de manière très précise grâce à cette reproductibilité.
Le premier ensemble traversant et le deuxième ensemble traversant sont donc équivalents à deux résis35 tances shunt de rapport parfaitement maîtrisé.
On connaît donc de manière très précise le rapport \ entre le courant à mesurer Im et le courant principal Ip.
Mesurer le courant à mesurer Im permet d'estimer très ii précisément -lei doutante tout en réduisant celui-ci pour réduire le courant de démagnétisation rei ii guis). ) 1 i e e i i i ) ) )? e ύ ii) i
Le courant à mesurer Im est mesuré grâce au transformateur 12 qui a été évoqué plus tôt.
Le transformateur 12 comporte le circuit imprimé 40 ® > w 40, car le circuit imprimé porte aussi la partie numérique 15 et la partie analogique 16.
Le deuxième ensemble traversant qui vient d'être décrit est aussi appelé ici « ensemble traversant pri15 maire ». Les deuxièmes trous métallisés 48 sont des « trous métallisés primaires ».
Le circuit imprimé 40 comporte de plus un troisième ensemble traversant comportant au moins un troisième trou métallisé 56 s'étendant au travers de la couche isolante 20 43, et un quatrième ensemble traversant comportant au moins un quatrième trou métallisé 57 s'étendant au travers de la couche isolante 43. Ici, en l'occurrence, le troisième ensemble traversant comprend plusieurs troisièmes trous métallisés 56 et le quatrième ensemble tra25 versant comprend plusieurs quatrièmes trous métallisés 57. Les troisièmes trous métallisés 56 et les quatrièmes trous métallisés 57 ont ici tous un même deuxième diamètre qui, pour une raison d'encombrement, est inférieur au premier diamètre des premiers trous métallisés 47 et 30 des deuxièmes trous métallisés 48. Le nombre de troisièmes trous métallisés 56 est égal au nombre de gua1 i trièmes trous /métallW^ < ); \ 1)11
Le troisième ensemble traversant et le quatrième ensemble traversant forment un ensemble appelé ici « en35 semble traversant secondaire ». Dans l'ensemble traver17 sant secondaire, les troisièmes trous métallisés 56 forment au moins un, en l'occurrence plusieurs « premiers ' Il ''trous métal Usés secondaires » )55),) ' let ' ·1θ3·1 •quatrièrnës plusieurs « deuxièmes trous métallisés secondaires » 57.
Le transformateur 12 comporte de plus le noyau magnétique 13. Le noyau magnétique 13 s'étend dans une \ ' ' épaisseur; du circuit· impriméi 40). ' ' ' rç ; il )y
Le noyau magnétique 13 présente la forme d'un tube de sections extérieure et intérieure rectangulaires. On y que le noyau magnétique 13 pourrait bien évidemment présenter une forme différente. Le noyau magnétique 13 comporte une portion de noyau primaire 60 et une portion ' y ; de noyau secondaire· il. y I g ii;y 1 >y<7 μ ; y y
L'ensemble traversant primaire s'étend à l'intérieur du noyau magnétique 13, à proximité de la portion de y 1 ' 1 noyau primaire 60;. ' · ' < ' ' y ) ) ' ; < 1 3 ; 1 y ; ; ; Ο Ι'ensemble traversant primaire forme ainsi une portion d'un enroulement primaire du transformateur 12, le20 dit enroulement primaire comportant ici une seule spire.
s'étendent à l'intérieur du noyau magnétique 13, à proximité de la portion de noyau secondaire 61. Les deuxièmes trous métallisés secondaires 57 s'étendent à l'extérieur 25 du noyau magnétique 13, à proximité de la portion de noyau secondaire 61.
On voit que les premiers trous métallisés secondaires 56 et les deuxièmes trous métallisés secondaires 57 sont reliés entre eux par des éléments conducteurs 65 30 (par exemple, mais pas nécessairement, des pistes) qui 1; 7 ;) s' étendent sur la) première couche conductrice 41 et sur la deuxième couche conductrice 42. Seuls deux éléments conducteurs 65 sont représentés sur la figure 7.
; ; ) )·' Le troisième /ensemble) traversantTyiorme /ainsi uné· première portion de l'enroulement secondaire du transfor
IB mateur 12. Le quatrième ensemble traversant forme ainsi une deuxième portion de l'enroulement secondaire du transformateur. L'ensemble traversant secondaire forme donc une portion de l'enroulement secondaire du transfor-
5 ' mat eu t 12, i y-13 31'· : -1 ::::'T13 <3 1333'1- 3:3 : 33 : 3 33 1
L'enroulement secondaire comporte une pluralité de spires, chaque spire comprenant un premier trou métallisé secondaire 56, un deuxième trou métallisé secondaire 57 et un élément conducteur 65.
^3:14! :
transformateur 12 est l'enroulement de mesure 14 évoqué
- 1 plus tôt, 3 11 3 33 1 3 1 3 lit 3 3 1 1 31-131
On décrit maintenant la fabrication du circuit imprimé 40 et du noyau magnétique 13 qui s'étend dans une 15 épaisseur du circuit imprimé 40.
Le circuit imprimé 40 comprend une première couche de « prépreg » (pour « préimprégné ») et une deuxièmecouche de « prépreg ». La première couche de prépreg et la deuxième couche de prépreg ne sont pas polymérisées.
Le noyau magnétique 13 comporte un mélange d'une poudre magnétique et d'une résine constituant un liant de
I3 331;a3 poudre magnétiqleu 13 3 3 3'1 113I.. 3.1·' '· 1: ( 7
La poudre magnétique est formée d'une structure cristalline, en l'occurrence de grenat d'yttrium et de fer (Y3Fe15O12) . 3 11'là 3 '
La résine est une résine époxy.
Le noyau magnétique 13 est déposé sur la première
1 /couohe· del prépreg: pari séYigtap il 31 ' -1 1'.. t 'l'T 1 T '
Puis, le noyau magnétique 13 est recouvert par la 30 deuxième couche de prépreg.
Le circuit imprimé 40 est ensuite passé dans un : /four?. / 3: ï : :^ 1
On perce alors le circuit imprimé 40 pour réaliser métallisés3 qui??ontï éùé( décrits^, : :
Alternativement, il est possible fabriquer le noyau magnétique 13 en utilisant une technologie de fabrication additive par frittage laser.
La poudre magnétique est déposée sur une première couche de prépreg. Puis, un faisceau laser est utilisé pour agglomérer la couche de poudre magnétique sur des zones prédéfinies de manière à former le noyau magnétique h' ' 13/./ -y ?' i ii
Le noyau magnétique 13 est alors recouvert par la 10 deuxième couche couche de prépreg.
La fabrication du noyau magnétique 13 par frittage laser semble plus efficace. En effet, dans le cas de la fabrication par sérigraphie, on constate que, dans le mélange de poudre magnétique et de résine, on trouve autant 15 d'entrefers que de particules de poudre magnétique. Ces entrefers diminuent les performances du noyau magnétique
13. Dans le cas du frittage laser, les particules de la poudre magnétique sont fusionnées, ce qui évite de créer vil 'tesdit su entrefers/, yl y /
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les / / / ; revendicat ions. 1 y · / ' / ? / y C'y'?
On a indiqué que le capteur de courant à vanne de flux comporte une partie numérique et une partie analo' gique, et que le /convertisseur analogique numérique et te convertisseur numérique analogique appartiennent à la partie analogique. Bien sûr, on pourrait considérer que y ces/ composants sont des/ /composants numériques ,· ety?mèrtie 30 qu'ils sont directement intégrés dans le FPGA (ou dans un microcontrôleur ou autre composant numérique), de sorte qu'ils appartiendraient alors à la partie numérique.
On a indiqué ici que la première couche conductrice comprenant la première piste et la deuxième couche con35 ductrice comprenant la deuxième piste s'étendent ici cha cüné /sür( Une/ face/ opposée du circuit imprimé. Bi en (sûr:,· la première couche conductrice et la deuxième couche conductrice pourraient être des couches internes du circuit imprimé, séparées par une ou plusieurs couches isolantes.
On a aussi décrit des ensembles traversant comprenant chacun un ou des trous métallisés. Les trous métallisés traversent ici une même couche isolante. Bien sûr, les trous métallisés pourraient traverser plusieurs couches isolantes, voir même une ou des couches isolantes 10 et une ou des couches conductrices. Des ensembles traversant distincts pourraient aussi traverser des piles de couches distinctes.
On a indiqué ici que l'ensemble traversant secondaire comprend au moins un premier trou métallisé secon15 daire et au moins un deuxième trou métallisé secondaire / / I qui )S' étendent de part et d'aut re /d'une pbrtibh//dé- /hoyau secondaire du noyau magnétique. Bien sûr, il est possible aussi que l'ensemble traversant primaire comprenne au moins un premier trou métallisé primaire et au moins un 20 deuxième trou métallisé primaire qui s'étendent de part et d'autre d'une portion de noyau primaire du noyau magnétique. Les deux configurations peuvent aussi coexis/ // 7 ter »·/ (/( 17 /11 1 77 7 /7 1 ' / /1 1 ' / /
Bien sûr, le circuit imprimé selon l'invention et le pont diviseur de courant peuvent être utilisés dans touttype d'application requérant un pont diviseur de courant : l'invention n'est aucunement limitée aux capteurs de courant à vanne de flux.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Circuit imprimé comportant une première piste ' 1 (4<);r piste (45) et au moins une couche iso5 lante (43) s'étendant entre la première piste et la deuxième piste, le circuit imprimé comportant de plus un premier ensemble traversant d'au moins un premier trou / 11 métallisé Ç (47) 7 et 7 un deuxième moins un deuxième trou métallisé (48), chaque premier 10 trou métallisé et chaque deuxième trou métallisé reliant la première piste et la deuxième piste en s'étendant au travers de la couche isolante, le premier ensemble traversant et le deuxième ensemble traversant formant res // / bëc t i vement ; 7 une / première br anche^ (/51) / e t une-/100 uxiéiiie· 15 branche (52) d'un pont diviseur de courant (53).
- 2. Circuit imprimé selon la revendication 1, dans lequel la première piste et la deuxième piste s'étendent chacune sur une face opposée du circuit impri/ / me ( 4/0) . / / 7 a/. . - 77 '//.-/ / 7' :-../. -7/./7. ..7 /. 7. / 720
- 3. Circuit imprimé selon l'une des revendica7 tiens 7précédentes^,-/ 7dans? tequel. le^ ou les! premiers tr ous métallisés (47) et le ou les deuxièmes trous métallisés (48) ont un même premier diamètre.
- 4. Circuit imprimé selon l'une des revendica-25 tions précédentes, comportant en outre des moyens de mesure agencés pour mesurer un courant à mesurer (Im) circulant dans la deuxième branche (52), les moyens de mesure étant utilisés pour estimer un courant principal (Ip) circulant dans la première piste (44) et la deuxième 30 piste (45) à partir du courant à mesurer.
- 7/ 7 /../77. Ib. 7 Cir cui t /impr imé /séton /71?a /revendi-cati©n· / 4, dans lequel les moyens de mesure comprennent un transformateur (12), le deuxième ensemble traversant formant une7 / portionτ/d'un enroulement primairé /du^transformateur -(12)7*7 3b / 7 / - 6* 7 Circuit /imprimé/ 7 s ebon// 71 a/7 revendication/ 75r22' comportant de plus un troisième ensemble traversant d'au moins un troisième trou métallisé (56) s'étendant au travers de la couche isolante (43), le troisième ensemble traversant formant une première portion d'un enroulement 5 secondaire du transformateur.7. Circuit imprimé selon la revendication 6, ; ) Ç) ' 'comportant )de) plus un/ 'quatrième ensemble fraversant d'^ moins un quatrième trou métallisé (57) s'étendant au travers de la couche isolante (43), le quatrième ensemble 10 traversant formant une deuxième portion de l'enroulement /' ' ' secondaire dû transformateur.' ' ' /////// / / /
- 8. Circuit imprimé selon la revendication 7, dans lequel le ou les troisièmes trous métallisés et le ou les quatrièmes trous métallisés ont un même deuxième15 diamètre inférieur au premier diamètre.
- 9. Circuit imprimé selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel le transformateur comporte un noyau magnétique (13) qui s'étend dans une épaisseur du circuit imprimé (40).20
- 10. Circuit imprimé selon les revendications 7 et9, dans lequel le noyau magnétique comprend une portion de noyau secondaire (61) qui s'étend entre le troisième ensemble traversant et le quatrième ensemble traversant.
- 11. Capteur de courant à vanne de flux comportant25 un circuit imprimé selon l'une des revendications précédentes . ? /)))/)- ') ' ' ) ^ / / ' '' ///)//'''
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