FR2820211A1 - Cellule a effet hall pour la mesure de courant efficace - Google Patents
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Abstract
La cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace comprenant un capteur à effet Hall 1 muni de deux contacts de polarisation est apte à fournir entre deux contacts de mesure une tension de sortie Vout proportionnelle au champ magnétique B induit par le courant à mesurer. Un circuit de mesure de la tension de sortie Vout connecté aux contacts de mesure du capteur est apte à fournir en sortie une valeur moyenne du carré de ladite tension de sortie. Un circuit d'isolement du bruit connecté aux contacts de polarisation du capteur est apte à isoler un bruit d'entrée epsilon in d'une tension d'entrée Vin mesurée entre les deux contacts de polarisation, et à calculer une valeur moyenne du carré du bruit de sortie epsilon out . Des moyens de soustraction 9 reliés au circuit d'isolement du bruit et au circuit de mesure de la tension de sortie sont destinés à soustraire la valeur moyenne du carré du bruit de sortie epsilon out de la valeur moyenne du carré de la tension de sortie Vout pour calculer une valeur efficace de la tension de Hall VH .
Description
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La présente invention a pour objet une cellule à effet Hall utilisée pour la mesure de courant efficace. Une cellule à effet Hall comprend un capteur à effet Hall muni de deux contacts de polarisation et apte à fournir entre deux contacts de mesure une tension de sortie proportionnelle au champ magnétique induit par le courant à mesurer, ainsi qu'un circuit de mesure de la tension de sortie connecté aux contacts de mesure dudit capteur apte à fournir en sortie une valeur efficace de ladite tension de sortie.
La cellule à effet Hall trouve une application particulière dans les compteurs électriques pour la mesure de puissance consommée ou la mesure de courant efficace. La mesure de courant efficace présente un intérêt important dans le domaine des compteurs électriques industriels. Il est connu que les installations électriques industrielles présentent souvent des inductances importantes qui induisent un déphasage entre le courant et la tension mesurée, ce qui conduit à une mauvaise estimation de la puissance consommée. En mesurant le courant efficace, il est possible de déterminer le courant actif et réactif ainsi que la puissance consommée active et réactive et par conséquent de s'affranchir de ce déphasage.
Une cellule à effet Hall connue, employée dans le mode capteur de courant, est représentée sur la figure 1, avec un capteur à effet Hall 1 et l'ensemble du circuit électronique associé.
Dans ce mode, la cellule à effet Hall n'est pas reliée directement à la ligne dans laquelle passe le courant que l'on souhaite mesurer. Ce courant étant un courant alternatif, de fréquence d'environ 50Hz en Europe et de 60Hz aux Etats-Unis, il induit un champ magnétique B.
Le fonctionnement d'un capteur à effet Hall est bien connu de l'homme du métier. Le capteur est polarisé par l'intermédiaire d'une source de courant 2 entre deux contacts pl, P2 selon une première direction. La tension de Hall est proportionnelle au champ magnétique B induit par le courant à mesurer, ledit champ magnétique étant dirigé selon une direction perpendiculaire au plan du capteur. Elle est mesurée entre deux autres contacts mi, m2 dans une direction sensiblement perpendiculaire aux deux autres directions. La tension de Hall mesurée est ensuite amplifiée par des premiers moyens d'amplification 3 et une valeur efficace de ladite tension est calculée par des moyens de calcul 4. Enfin, des moyens de traitement 5 exploitent cette mesure pour en déduire le courant efficace dans la ligne (non représentée).
La tension de Hall mesurée est la somme de la tension de Hall réelle et du bruit du capteur soit Vu = G B Ibias + Bout, Iblas étant le courant de polarisation, G le gain du capteur et gout est la tension de bruit.
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Lorsque la cellule à effet Hall est utilisée comme capteur de courant, le courant efficace Irms dans la ligne (rms signifiant"root mean square"c'est à dire valeur efficace en terminologie anglo-saxonne) que l'on détermine à partir de la tension de Hall précédente est :
Irms = H x (G. B. Ibias) 2 + 2. G-B-Ibias. Eout + sont où H est une constante de calibration.
La valeur moyenne de eût est nulle, par conséquent la valeur moyenne de 2. G. Ibias- Sout est également nulle. Néanmoins la valeur moyenne Òut2 n'est pas négligeable de telle sorte qu'une erreur importante sur la mesure de Irms apparaît pour des gammes de mesure de courant faible.
Irms = H x (G. B. Ibias) 2 + 2. G-B-Ibias. Eout + sont où H est une constante de calibration.
La valeur moyenne de eût est nulle, par conséquent la valeur moyenne de 2. G. Ibias- Sout est également nulle. Néanmoins la valeur moyenne Òut2 n'est pas négligeable de telle sorte qu'une erreur importante sur la mesure de Irms apparaît pour des gammes de mesure de courant faible.
Par la suite, on appellera tension de sortie Veut, la tension de mesurée entre les contacts de mesure et correspondant à la superposition de la tension de Hall réelle Vu et du bruit soue.
Il est connu d'utiliser des techniques de filtrage utilisant notamment un microprocesseur permettant d'éliminer le bruit Néanmoins, ce filtrage consomme du temps d'horloge au niveau du microprocesseur et est assez complexe car il est nécessaire de filtrer le bruit sans filtrer les harmoniques du signal.
Un objet de la présente invention est de proposer une cellule à effet Hall utilisée comme capteur de courant délivrant une valeur représentative d'un courant efficace dont le bruit a été supprimé et ce sur toute la gamme de mesure de courant, en particulier pour des courants faibles.
Cet objet est atteint selon l'invention grâce à une cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace comprenant : - un capteur à effet Hall comprenant deux contacts de polarisation et apte à fournir entre deux contacts de mesure une tension de sortie proportionnelle au champ magnétique induit par le courant à mesurer, - un circuit de mesure de la tension de sortie connecté aux contacts de mesure dudit capteur apte à fournir en sortie une valeur moyenne du carré de ladite tension de sortie,
- un circuit d'isolement du bruit connecté aux contacts de polarisation du capteur apte à isoler un bruit d'entrée d'une tension d'entrée mesurée entre les deux contacts de polarisation, et à calculer une valeur moyenne du carré du bruit de sortie, - des moyens de soustraction reliés au circuit d'isolement du bruit et au circuit de mesure de la tension de sortie destinés à soustraire la valeur moyenne du carré du bruit de sortie de la valeur moyenne du carré de la tension de sortie pour calculer une valeur efficace de la tension de Hall.
- un circuit d'isolement du bruit connecté aux contacts de polarisation du capteur apte à isoler un bruit d'entrée d'une tension d'entrée mesurée entre les deux contacts de polarisation, et à calculer une valeur moyenne du carré du bruit de sortie, - des moyens de soustraction reliés au circuit d'isolement du bruit et au circuit de mesure de la tension de sortie destinés à soustraire la valeur moyenne du carré du bruit de sortie de la valeur moyenne du carré de la tension de sortie pour calculer une valeur efficace de la tension de Hall.
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Par conséquent, l'invention permet de réaliser un dispositif d'élimination du bruit pour une cellule à effet Hall utilisée pour la mesure de courant par un filtrage simple permettant d'éliminer le bruit de la mesure de la valeur efficace sans faire appel à un microprocesseur et sans filtrer les harmoniques du signal.
De plus, le circuit de mesure de la tension de sortie comporte des premiers moyens d'amplification de la tension de sortie reliés à des premiers moyens de calcul de la valeur moyenne du carré de la tension de sortie.
En outre, le circuit d'isolement du bruit comporte des moyens de filtrage reliés à des seconds moyens d'amplification aptes à supprimer une composante continue de la tension d'entrée mesurée entre les deux contacts de polarisation et à isoler le bruit d'entrée de la tension d'entrée, les seconds moyens d'amplification étant reliés en sortie à des seconds moyens de calcul d'une valeur moyenne du carré du bruit de sortie déterminée en normalisant une valeur moyenne du carré du bruit d'entrée par un coefficient de proportionnalité dépendant du capteur à effet Hall.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un capteur à effet Hall, le circuit électronique de polarisation et de mesure selon l'art antérieur ;
- la figure 2 représente un capteur à effet Hall, le circuit électronique de polarisation, de mesure et le dispositif de réduction de bruit selon l'invention ; - la figure 3 représente un capteur à effet Hall. Le capteur à effet Hall est du type de celui représenté sur la figure 3. Le capteur a une forme en croix constituée de deux branches longitudinales et de deux branches transversales en matériaux semi-conducteur, chaque branche étant munie à son extrémité d'électrode de contact.
- la figure 2 représente un capteur à effet Hall, le circuit électronique de polarisation, de mesure et le dispositif de réduction de bruit selon l'invention ; - la figure 3 représente un capteur à effet Hall. Le capteur à effet Hall est du type de celui représenté sur la figure 3. Le capteur a une forme en croix constituée de deux branches longitudinales et de deux branches transversales en matériaux semi-conducteur, chaque branche étant munie à son extrémité d'électrode de contact.
Les extrémités des branches longitudinales sont munies de contacts de polarisation pi, P2 destinés à la polarisation du capteur par la source de courant 2. Les extrémités des branches transversales sont munies de contacts de mesure ml, m2 destinés à la mesure de la tension de Hall.
La distance entre les deux extrémités L des deux branches transversales et/ou longitudinales est comprise entre 300 et 340am, par exemple 320un. La longueur de la branche transversale et/ou
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longitudinale 1 est comprise entre 100 et 140um, par exemple 120nm. Avantageusement, avec de telles dimensions, la valeur du coefficient de proportionnalité K est comprise entre 11 et 13, par exemple 12. Néanmoins, d'autres dimensions peuvent également convenir.
La cellule à effet Hall connue, employée dans le mode capteur de courant, a déjà été décrite en relation avec la figure 1. La cellule à effet Hall employée dans le cadre de cette invention comporte un capteur à effet Hall 1 polarisé par une source de courant 2, lequel fournit une tension de sortie (Vout) proportionnelle au champ magnétique induit par le courant à mesurer. Le circuit de mesure de la tension de sortie connecté au capteur comporte des premier moyens d'amplification 3 de la tension de sortie, et également des premier moyens de calcul 10 d'une valeur moyenne du carré de ladite tension de sortie, c'est à dire une valeur représentative de la somme de la tension de Hall réelle Vu et du bruit de sortie Sout au carré (c'est à dire
Lorsque le capteur à effet Hall est polarisé par une source de courant, il apparaît également à l'entrée du capteur un bruit dit d'entrée Ein qui est lié aux propriétés intrinsèques du capteur. Le bruit d'entrée Sin peut être déterminé assez facilement à partir de la tension mesurée entre les
deux contacts de polarisation de la cellule à effet Hall.
Lorsque le capteur à effet Hall est polarisé par une source de courant, il apparaît également à l'entrée du capteur un bruit dit d'entrée Ein qui est lié aux propriétés intrinsèques du capteur. Le bruit d'entrée Sin peut être déterminé assez facilement à partir de la tension mesurée entre les
deux contacts de polarisation de la cellule à effet Hall.
L'article de L. K. J Van Damme (Solid-State Electronics, Vol. 22, p. 981-986, 1979) indique que
le bruit d'entrée et le bruit de sortie sont liés par un coefficient de proportionnalité K = s ; n/Sout-
Sur la figure 2, le dispositif de réduction de bruit a été rajouté à la cellule à effet Hall de la figure 1. Le dispositif de réduction de bruit comporte un circuit d'isolement du bruit connecté aux contacts de polarisation du capteur. Le circuit d'isolement comporte des moyens de filtrage 6, par exemple un filtre passe-haut, dont la fonction est de supprimer une composante continue de la tension de polarisation Vu et d'isoler le bruit d'entrée s. Les moyens de filtrage sont reliés à des second moyens d'amplification 7 dont la fonction est d'amplifier le bruit d'entrée. Le fait d'avoir filtré la composante continue de la tension de polarisation permet également d'éviter une saturation des moyens d'amplification 7. Les moyens d'amplification sont reliés à des second
moyens de calcul 8. Les moyens de calcul 8 déterminent une valeur moyenne du carré du bruit
de sortie Eout en calculant la valeur moyenne du carré du bruit d'entrée (s.) normalisée par le (in coefficient de proportionnalité K, c'est à dire s/K. Des moyens de soustraction 9 sont reliés
le bruit d'entrée et le bruit de sortie sont liés par un coefficient de proportionnalité K = s ; n/Sout-
Sur la figure 2, le dispositif de réduction de bruit a été rajouté à la cellule à effet Hall de la figure 1. Le dispositif de réduction de bruit comporte un circuit d'isolement du bruit connecté aux contacts de polarisation du capteur. Le circuit d'isolement comporte des moyens de filtrage 6, par exemple un filtre passe-haut, dont la fonction est de supprimer une composante continue de la tension de polarisation Vu et d'isoler le bruit d'entrée s. Les moyens de filtrage sont reliés à des second moyens d'amplification 7 dont la fonction est d'amplifier le bruit d'entrée. Le fait d'avoir filtré la composante continue de la tension de polarisation permet également d'éviter une saturation des moyens d'amplification 7. Les moyens d'amplification sont reliés à des second
moyens de calcul 8. Les moyens de calcul 8 déterminent une valeur moyenne du carré du bruit
de sortie Eout en calculant la valeur moyenne du carré du bruit d'entrée (s.) normalisée par le (in coefficient de proportionnalité K, c'est à dire s/K. Des moyens de soustraction 9 sont reliés
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au circuit d'isolement du bruit et au circuit de mesure de la tension de sortie, et ont pour fonction
2 2 de soustraire la valeur moyenne du carré du bruit de sortie (c'est à dire (COU, = (sm)/K) de la
valeur moyenne du carré de la tension de sortie Vout (c'est à dire
(Vo2ut = 2+ (2 (Vut) = (v) + (sut) + 2 < Sout) (VH) avec 2 (eût) (VH) = 0 car (òut) = 0) et à calculer une valeur efficace de la tension de Hall Vu (c'est à dire VH = ut (Vout)" (out) )) Les moyens de Ï (V02
soustraction délivrent en sortie une valeur représentative du courant efficace de la ligne dont le bruit a été supprimé.
Des moyens de traitement 5, par exemple un micro-contrôleur exploite cette mesure de la valeur efficace de la tension de Hall VH pour en déduire le courant efficace Irms indépendante du bruit.
Par ailleurs, il a été constaté que ce dispositif de réduction de bruit était également avantageux car la correction ainsi obtenu est valable quelque soit la température et la fréquence. Ceci est particulièrement avantageux car il est connu d'une part que la température influence sur le niveau de bruit, et d'autre part que certains industriels possèdent des installations électriques consommant de la puissance électrique pour des harmoniques de la fréquence fondamentale, par exemple 180Hz pour une fréquence fondamentale de 60Hz aux Etats-Unis. Ce dispositif permet donc de mesurer la puissance consommée d'une part dans une gamme de température étendue, par exemple de -40OC à + 80 C et d'autre part quelque soit l'harmonique à laquelle la puissance est consommée.
Claims (8)
- à calculer une valeur moyenne du carré du bruit de sortie (eut), - des moyens de soustraction (9) reliés au circuit d'isolement du bruit et au circuit de mesure de la tension de sortie destinés à soustraire la valeur moyenne du carré du bruit de sortie (eut) de la valeur moyenne du carré de la tension de sortie (Vout) pour calculer une valeur efficace de la tension de Hall (Vu).
REVENDICATION 1. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace comprenant : - un capteur à effet Hall (1) muni de deux contacts de polarisation et apte à fournir entre deux contacts de mesure une tension de sortie (volt) proportionnelle au champ magnétique (B) induit par le courant à mesurer, - un circuit de mesure de la tension de sortie (Veut) connecté aux contacts de mesure dudit capteur apte à fournir en sortie une valeur moyenne du carré de ladite tension de sortie, ladite cellule étant caractérisée en ce qu'elle comporte : - un circuit d'isolement du bruit connecté aux contacts de polarisation du capteur apte à isoler un bruit d'entrée (Sin) d'une tension d'entrée (Vin) mesurée entre les deux contacts de polarisation, et - 2. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace selon la revendication 1, dans laquelle le circuit de mesure de la tension de sortie comporte des premiers moyens d'amplification (3) de la tension de sortie reliés à des premiers moyens de calcul (4) de la valeur moyenne du carré de la tension de sortie.d'entrée (Vin), les seconds moyens d'amplification étant reliés en sortie à des seconds moyens de calcul (8) d'une valeur moyenne du carré du bruit de sortie (soue) déterminée en normalisant une valeur moyenne du carré du bruit d'entrée (Ein) par un coefficient de proportionnalité (K) dépendant du capteur à effet Hall.
3. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le circuit d'isolement du bruit comporte des moyens de filtrage (6) reliés à des seconds moyens d'amplification (7) aptes à supprimer une composante continue de la tension d'entrée (Vin) mesurée entre les deux contacts de polarisation et à isoler le bruit d'entrée (s, n) de la tension4. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de soustraction (9) sont connectés à un micro-contrôleur<Desc/Clms Page number 7>(5) afin de déterminer une mesure du courant efficace (Irms) en fonction de la valeur efficace de la tension de Hall (Vu). - 3. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le capteur à effet Hall a une forme en croix constituée de deux branches longitudinales et de deux branches transversales en matériaux semi-conducteur, chaque branche étant munie à son extrémité d'électrode de contact (pi, p2, ml, m2)-
- 4. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace selon la revendication 3, dans laquelle la distance entre les deux extrémités (L) des deux branches transversales est comprise entre 300 et 340 ; mi.
- 5. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace selon la revendication 3, dans laquelle la distance entre les deux extrémités des deux branches longitudinales (L) est comprise entre 300 et 340m.
- 6. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace selon la revendication 3, dans laquelle la longueur de la branche transversale (1) est comprise entre 100 et 140am.
- 7. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace selon la revendication 3, dans laquelle
la longueur de la branche longitudinale (1) est comprise entre 100 et 140p. m. - 8. Cellule à effet Hall pour la mesure de courant efficace selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la valeur du coefficient de proportionnalité (K) est comprise entre 11 et 13.
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| FR (1) | FR2820211A1 (fr) |
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