Brevet FR2546304A1 — publié le 19841123

Lj 46304 I La présente invention concerne un capteur de me- sure de courant pour le contrôle de fonctionnement d'appa- reils consommateurs électriques, notamment dans un véhicule automobile, comportant un noyau annulaire pouvant entourer un conducteur d'un appareil consommateur, portant un enrou- lement pourvu de deux bornes et formé d'une bande plate isolante mince et d'un alliage de très haute perméabilité et présentant une faible intensité de champ coercitif et de faible perte d 1 hystérésis, l'enroulement étant orienté perpendiculairement à la direction longitudinale de la ban- de plate et l'enroulement et le noyau annulaire étant en- roulés d'une matière isolante. On connaît un capteur de mesure de courant du type défini ci-dessus (demande de brevet allemand DE-OS 23 14 800) qui est agencé de manière qu'un court tronçon de conducteur comportant à ses extrémités une fiche et une douille plate -soit guidé au travers du noyau annulaire du capteur et soit enrobé, en même temps que le noyau annulai- re et l'enroulement disposé sur celui-ci, d'une matière iso- lante de telle sorte que seulement la fiche et la douille plate soient librement accessibles Pour le contrÈle du cir- cuit électrique de l'appareil consommateur, le conducteur aboutissant à l'appareil consommateur est alors sectionné et le capteur de mesure de courant est branché dans une po- sition intermédiaire avec son court tronçon de conducteur. Evidemment ce capteur de mesure de courant est caractérisé, par rapport à d'autres convertisseurs de cou- rant à pinces connus dans lesquels on n'a pas à diviser le conducteur de l'appareil consommateur pour une mesure de cou- rant, par de plus faibles dimensions, de plus faibles pertes, une plus grande plage de températures de travail et une plus grande sensibilité mais cependant d'une part il est plus cou- teux à cause du tronçon de conducteur nécessaire qui est pourvu des parties de raccordement constituées par la fiche et la douille plate et d'autre part on rencontre un incon- vénient du fait qu'un sectionnement du conducteur de l'appa- reil consommateur est nécessaire. 2; 546304 A cause des contacts enfichables utilisés, il en résulte en outre une plus faible fiabilité de l'agencement, On connalt en outre un capteur de valeur de mesu- re servant à capter des valeurs de mesure dans l'installa- tion électrique d'un véhicule automobile, notamment l'itrs- tallation d'allumage ( demande de brevet allemand DE-AS 19 36 171), ce capteur comportant un noyau annulaire entouré par un enroulement et, pour assurer une protection contre les influences extérieures, une enveloppe en matière plas- tique placée autour du capteur Le capteur de valeur de mesure est disposé dans ce cas, lors du montage de l'ins- tallation électrique sur une partie ou sur un conducteur du composant à mesurer dans l'installation électrique et il reste ensuite installé dans une position fixe à l'intérieur de l'installation électrique. L'invention a pour but de perfectionner un cap- teur de mesure de courant du type défini ci-dessus de ma- nière à obtenir, par une réduction des frais de fabrication, une utilisation plus économique et une possibilité de fa- brication industrielle en série et d'autre part de permet- tre un montage simple et non compliqué, avec une plus gran- de sécurité de fonctionnement, de ce capteur sur un conduc- teur -aboutissant à un appareil consommateur. Ce problème est résolu en ce que le noyau annu- laire forme une seule couche et est agencé à ses extrémités sous forme d'un anneau ouvert, en ce que le noyau annulaire se compose d'un alliage amorphe, exempt de magnétostriction et ayant une forte teneur en cobalt et en ce que la matière isolante est élastique. Du fait que le noyau annulaire est agencé à ses extrémités sous forme d'un anneau ouvert et est formé d'un alliage amorphe, exempt de magnétostriction et de forte te- neur en cobalt et du fait que l'enroulement et le noyau an- nulaire sont enrobés d'une matière isolante élastique, ce capteur est flexible et élastique et il peut 4 tre expansé, sans altération de ses propriétés magnétiques et sans dé- 2 > 46304 formation permanente, et être engagé à la façon d'une agra- fe sur un conducteur de courant Des alliages normaux, et également l'alliage Mu-métal utilisé dans un cepteur de me- sure de courant de l'art antérieur, perdraient lors de l'ex- pansion; à cause de leur magnétostriction, leur grande per- méabilité et également par la suite le capteur perdrait ses propriétés de faibles pertes et de grande sensibilité, et d'autre part ces alliages se déformeraient de façon perma- nente En outre, avec le noyau annulaire agencé conformé- ment à l'invention, les dimensions du capteur peuvent être maintenues extrêmement réduites tout en obtenant cependant une grande sensibilité, bien que théoriquement la sensibi- lité pouvant être obtenue augmente avec les dimensions et le nombre de spires de la bobine. Pour réduire encore les frais de fabrication et augmenter la rentabilité de la fabrication industrielle en série, il est possible qu'aussi bien l'alliage amorphe que l'enroulement soient disposés sous la forme métallique sur la bande plate, par exemple d'après ce qu'on appelle la technique des films épais. Le capteur de mesure de courant peut être utilisé d'une manière idéale pour le contrdle d'appareils consomma- teurs électriques classiques comme des lampes, des bougies d'allumage des conducteurs de chauffage, des moteurs, etc, en étant seulement limité dans le cas deappareils consomma- teurs électroniques car le principe n'est pas exempt de réac- tion et ainsi de petites impulsions peuvent être introduites dans le conducteur de l'appareil consommateur. La plage de fréquences pouvant être captées s'étend dans ce cas du courant continu jusqu'à environ 100 k Hz. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: &.46304 Les figures la à lc représentent Le capteur de mesure de courant conforme à l'invention, la figure 2 montre un premier agencement du cir- cuit du capteur de mesure de courant, la figure 3 représente un second agencement du circuit du capteur de mesure de courant, la figure 4 représente un troisième agencement du circuit du capteur de mesure de courant, la figure 5 représente un quatrième agencement du circuit du capteur de mesure de courant, les figures 6 et 7 représentent des combinaisons logiques de capteurs de mesure de courant. Le noyau annulaire 1 représenté sur la figure la se compose d'un alliage amorphe, exempt de magnétostriction, possédant une haute perméabilité, une faible intensité de champ coercitif et de faible perte d'hystérésis et ayant une forte teneur en cobalt, et il est-agencé sous la forme d'une bande plate 2 isolée, mince et à une seule couche. Le noyau annulaire 1 est agencé sous forme d'un anneau ouvert dé façon que les extrémités 2 t, 2 "' de la bande plate 2 se recouvrent, pour faire en sorte que le circuit de flux magnétique reste fermée Comme le montre la figure lb, un enroulement 3 s'étend perpendiculairement à la direction longitudinale (direction périphérique) et sur la longueur de la bande plate 2 et il comporte deux bornes 3 ' et 3 " et en outre, comme le montre la figure lc, l'ensemble ainsi formé est enrobé d'une matière élastique isolante 4, mais cependant de telle sorte que les extrémités 2 ' et 2 " soient seules à se recouvrir encore et que le noyau annulaire puis- se être expansé de manière à pouvoir être engagé sur un conducteur de courant 5 d'un appareil consommateurw Les deux bornes d'enroulement 3 ' et 3 ' sont reliées à un con- ducteur d'alimentation 6, qui peut être réalisé sous la for- me d'un conducteur bifilaire torsadé utilisable dans le do- maine électronique et de plusieurs mètres de longueur. Alors que sur la figure la la bande plate 2 pro- prement dite est formée de l'alliage amorphe, cet alliage peut également être déposé sous forme d'un film métallique sur la bande plate, par exemple sous la forme d'un film métallique amorphe formé par vaporisation ou par bombarde- ment électronique Egalement l'enroulement peut être dispo- sé sur la bande plate de la manière connue dans la techni- que des circuits imprimés. Les figures 2 à 5 représentent des possibilités de réalisation pratique des circuits et des exemples d'ap- plication du capteur de mesure de courant 7 conforme à l'in- vention, qui-comme le montre la figure 1 c-entoure le con- ducteur d'alimentation 5 d'un appareil consommateur afin de contrôler le fonctionnement de cet appareil électrique 9 Conformément à la figure 2, le capteur de mesure de courant 7 est branché en série avec une résistance 8 et il est alimenté par un oscillateur 9 avec un Courant de ba- se fréquence-par exemple pour la mesure de courant continu d'une fréquence de commande de 1 Hz, 'ce qui diminuela con- sommation de courant et ltinfluence des parasites sur le capteur-de f açon à être amené dans la condition de satura- tion Lorsqu'il passe maintenant un courant dans le conduc- teur 5 de l'appareil consommateur qui est entouré par le capteur de mesure de courant 7, ce courant produit un champ additionnel externe qui provoque une saturation prématurée du noyau annulaire En conséquence on obtient une asymétrie d'amplitude pour la tension UA intervenant dans la combi- naison capteur-résistance, cette asymétrie étant alors ex- ploitée pour déterminer la grandeur du courant à mesurer >o dans l'appareil consommateur Lorsqu'il ne passe plus de courant dans le conducteur d'alimentation de l'appareil, par exemple du fait d'une rupture de filament dans une lampe, les amplitudes de la tension U deviennent symétriques de sorte que l'asymétrie devient également nulle, ce qui est dû 5 alors signalé par l'appareillage électronique placé en aval comme un " cas de panne ". Du fait que de hautes valeurs de d B/dt (B = induc- tion) ne peuvent être obtenues qu'avec de très hautes fré- quences, qui ne peuvent être difficilement produites par un générateur triangulaire (oscillateur 9), il est prévu un circuit conforme à la figure 3 pour augmenter la sensi- bilité pour un même dimensionnement de bobine du capteur. A cet effet, le capteur de mesure de courant 7 est branché en série entre une capacité 10 et une résistance 8 reliée à la masse et il est alimenté et commuté dans la condition de saturation par un oscillateur 11 au moyen d'une tension rectangulaire U définie La combinaison-série du capteur 7 avec son inductance (L) et la résistance 8 (R) agit dans ce cas comme un organe d'intégration de manière que, après cha- que flanc de commutation du générateur rectangulaire 11, le courant de capteur croisse d'abord lentement avec la cons- tante de temps L/R, l'inductance L et par conséquent égale- ment la constante de temps L/R étant fonction de la magné- tisation instantanée dans le noyau annulaire du capteur. Lorqu'il passe maintenant un courant dans le conducteur 5 d'alimentation de l'appareil consommateur qui est entouré par le capteur de mesure de courant 7, ce courant produit à nouveau un champ additionnel externe de sorte que le noyau annulaire du capteur est prématurément amené dans la condi- tion de saturation et que l'inductance L du capteur 7 est désactivée Cela se manifeste par une croissance brusque du courant de capteur, auquel cas on peut obtenir par l'action de différenciation du condensateur 10 une impulsion de cou- rant qui provoque-par 1 tintermédiaire de la chute de tension proportionnelle à celle-ci dans la résistance 8-une asymé- trie d'amplitude de la tension U 9 cette asymétrie étant alors exploitée pour mesurer la grandeur du courant à mesu- rer dans l'appareil consommateur. La figure 4 représente un schéma de circuit dans lequel le capteur de mesure de courant 7 est incorporé com- me une inductance commandée magnétiquement dans un circuit 2;-46304 Lú 46304 d'oscillateur 12 Lorsqu'il passe un courant dans le con- ducteur d'appareil consommateur 5 entouré par le capteur de mesure 7, ce courant produit à nouveau un champ additionnel externe, de sorte que l'inductance et par conséquent égale- ment la fréquence de l'oscillateur à-relaxation 12 varient. La fréquence est ainsi rendue par l'intermédiaire du flux magnétique directement fonction du courant passant dans l'appareil consommateur de-sorte que la variation de fré- quence peut être exploitée pour mesurer la grandeur du cou- rant passant dans l'appareil consommateur Au moyen d'un circuit de traitement correspondant 13 associé au circuit d'oscillateur 12, et comportant des déclencheurs de Schmitt, des organes de différenciation et des filtres passe-bas (par exemple RI = 75 L R 2 = 1 k 4 R 3 = 1 k Cl = 3 O Op F C 2 ml>a F déclencheur de Schmitt 74 LS 14), il est possible de mesu- rer alors à la sortie du circuit la variation de fréquence soit directement comme un signal de fréquence f A soit sous la forme d'un signal de tension analogique UA représentant la variation de fréquence- Comme exemple de dimensionnement du capteur de mesure de courant, on peut donner par exemple les valeurs suivantes; Noyau annulaire: en Metglas 2705 M ou en Vitrovac 6025 X 7 dimensions: longueur 10 mm, incurvée sous forme d'un cer- cle d'environ 3 mm de diamètre, largeur 2 mm épaisseur 0,025 mm, une couche, Enroulement: environ 200 spi'es, fil de cuivre de 091 mm de diamètre, une couche. Alors que dans les exemples de circuits des figu- res 2 à 4, il est possible de mesurer la grandeur du courant fourni à l'appareil consommateur, la figure 5 représente un circuit qui détermine seulement si un courant passe ou non. A cet effet, le capteur de mesure de courant 7 reçoit des impulsions de courant de courte durée provenant d'un géné- rateur d'impulsions 14 et le capteur de mesure de courant, 2 '46304 ' fonctionnant un peu en dessous de la saturation, fournit des signaux de sortie S sous la forme d'une valeur de seuil qui est déterminée par l'induction de saturation de la ma- tière du noyau annulaire Lorqu'il passe un courant dans le conducteur 5 d'alimentation de l'appareil consommateur- entouré par le capteur de mesure de courant 7, ce courant produit à nouveau un champ additionnel qui provoque une saturation du noyau annulaire et par conséquent une désac- tivation de l'inductance du capteur Il en résulte une va- riation des signaux de sortie-qui sont par exemple fortement différenciéset cette variation sert alors à caractériser le passage d'un courant dans le conducteur de l'appareil con- sommateur Ce principe, notamment l'exploitation de la bou- cle d'hystérésis de la matière du noyau annulaire pour pré- déterminer une valeur de seuil et la mesure d'une inductance avec des impulsions, est notamment intéressant pour le con- trôle de lampes et de bougies d'allumage de véhicules auto- mobiles et il présente, par rapport à l'utilisation d'un générateur de Hall, les avantages de ne nécessiter que deux conducteurs d'alimentation, de pouvoir élargir la plage des températures de travail jusqu'à plus de 2000 C et d'obtenir une plus grande sensibilité (il est ainsi possible de mesu- rer des courants d'une intensité supérieure à 0,5 ampère). Pour le contrôle proprement dit, on peut utiliser par exem- ple des -impulsions d'une durée de 1 à 10 ps se succédant à une fréquence de 1 Hz Un autre avantage de ce principe est qu'il est possible de réaliser des combinaisons logiques par branchement en série ou en parallèle de plusieurs capteurs, qui entourent chacun un conducteur d'alimentation de divers appareils consommateurs Le circuit-série de la figure 6 établit une combinaison logique NON-ET car il doit passer dans tous les circuits un courant pour faire descendre l'in- ductance totale du circuit -série en dessous d'un seuil pré- déterminé Le circuit parallèle de la figure 7 établit une combinaison logique NI car déjà le passage d'un courant dans un des circuits d'appareils consommateurs réduit l'in- ductance totale du circuit-parallèle à une très faible va- leur G Arce à ce mode de combinaison logique, il est pos- sible d'économiser non seulement des composants électroni- ques additionnels mais également des conducteurs o 2546304 l REVENDICATIONS 1 Capteur de mesure de courant pour le contrôle de fonctionnement d'appareils consommateurs électriques, notamment dans un véhicule automobile, comportant un noyau annulaire pouvant entourer un conducteur d'un appareil con- sommateur, portant un enroulement pourvu de deux bornes et formé d'une bande plate isolante mince et d'un alliage de très haute perméabilité et présentant une faible intensité de champ coercitif et de faible perte d'hystérésis, l'enrou- lement étant orienté perpendiculairement à la direction lon- gitudinale de la bande plate et l'enroulement et le noyau annulaire étant enroulés d'une matière isolante, caractéri- sé en ce que le noyau annulaire ( 1) forme une seule couche et est agencé à ses extrémités ( 2 ', 2 " 1) sous forme d'un an- neau ouvert, en ce que le noyau annulaire ( 1) se compose d'un alliage amorphe exempt de magnétostriction et ayant une forte teneur en cobalt et en ce que la matière isolante ( 4) est élastique. 2 Capteur de mesure de courant selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que l'alliage amorphe et/ou l'enroulement sont disposés sous forme d'un film métallique sur la bande plate ( 2). 3, Capteur de mesure de courant selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le noyau annulaire ( 1) est agencé sous forme d'un anneau dont les extrémités ( 2 ', 2 ") se recouvrent.