Principes de base de la mesure du courant : 1re partie – Résistances de détection du courant

Note de l'éditeur : cet article en deux parties examine les nuances sous-estimées de la détection du courant. La 1re partie (cet article) traite de la configuration générale, de la sélection et de l'implémentation d'une résistance de détection du courant. La 2e partie traite des circuits associés tels que le circuit d'entrée analogique et l'amplificateur de mesure.

Les bases de la mesure du courant

Le flux de courant est l'un des paramètres le plus fréquemment utilisé pour évaluer, contrôler et diagnostiquer le rendement opérationnel des systèmes électroniques. Comme il s'agit d'une mesure classique, les concepteurs ont souvent des problèmes s'ils sous-estiment les nuances d'une mesure précise du courant.

L'élément de détection le plus couramment utilisé pour détecter le flux de courant est une résistance de précision de faible valeur placée dans le trajet de courant. Cette résistance, généralement appelée shunt, développe une tension proportionnelle au courant qui la traverse. Étant donné que la résistance shunt ne doit pas affecter le flux de courant de manière significative, elle est souvent assez petite, de l'ordre des milliohms ou de fractions de milliohm (mΩ). En conséquence, la tension développée à travers la résistance shunt est également assez faible et nécessite souvent une amplification avant d'être convertie par un convertisseur analogique-numérique (CAN).

À cet effet, une configuration de chaîne de signal commune pour la surveillance du courant implique un circuit d'entrée analogique pour amplifier la tension développée à travers la résistance shunt, un CAN pour convertir la tension amplifiée en une représentation numérique et un contrôleur système (Figure 1).

Figure 1 : Le moyen le plus simple de mesurer le flux de courant consiste à utiliser une résistance shunt (extrême gauche), à travers laquelle une tension est développée proportionnellement au courant qui la traverse. Un circuit d'entrée analogique amplifie la basse tension aux bornes de la résistance shunt afin d'utiliser toute la plage de mesure du CAN. (Source de l'image : Texas Instruments)

Un circuit d'entrée analogique, généralement implémenté avec un amplificateur opérationnel ou un amplificateur de détection du courant dédié, convertit la petite tension différentielle développée à travers la résistance shunt en une tension de sortie plus importante qui utilise plus de la plage de mesure complète du CAN. Le CAN, qui peut être un périphérique autonome ou un bloc intégré dans un microcontrôleur ou un système sur puce (SoC), numérise le signal de tension et fournit les informations résultantes au processeur de contrôle. Le contrôleur système utilise la mesure numérisée du flux de courant pour optimiser les performances du système ou pour implémenter des protocoles de sécurité afin de ne pas endommager le système si le flux de courant dépasse une limite prédéfinie.

En tant que composant du capteur utilisé dans la chaîne pour convertir le courant en tension, les caractéristiques physiques de la résistance (résistance, tolérance, capacité de puissance, coefficient thermique et force électromotrice thermique) affectent toutes la précision. Par conséquent, le choix d'une résistance shunt appropriée est essentiel pour optimiser la mesure du courant.

La valeur de la résistance shunt et la tension correspondante générée à travers la résistance shunt perturbent le système. Par exemple, une résistance shunt avec une résistance trop importante peut réduire la tension disponible pour entraîner la charge et provoquer des pertes inutiles.

Par exemple, lors de la mesure du courant fourni à un enroulement de moteur, une tension réduite diminue la puissance électrique disponible pour le moteur, affectant ainsi son rendement ou son couple. De plus, des courants importants traversant la résistance shunt (des dizaines ou des centaines d'ampères) font que la résistance dissipe une quantité importante d'énergie sous forme de chaleur résiduelle, rendant la mesure moins précise et moins efficace. Pour ces raisons, la résistance shunt doit être aussi faible que possible.

Choisir une résistance shunt pour mesurer le courant

Les résistances shunt exigent de très faibles valeurs de résistance, car elles dissipent de la puissance en raison du courant de charge qui les traverse. De plus, pour la stabilité de la mesure, les résistances de détection du courant devraient également avoir un très faible coefficient de température de résistance (TCR). Un faible TCR donne une grande précision de mesure avec une faible dépendance de la température.

Les forces électromotrices thermiques de la résistance de détection du courant constituent une autre caractéristique importante. Les résistances shunt doivent fonctionner sur une large gamme de courants. Lorsque le courant est faible, par exemple dans une application de batterie en mode veille, la force électromotrice thermique du shunt ajoute une tension d'erreur mesurable à la tension générée par le courant traversant la résistance. Cette tension d'erreur doit être nettement inférieure à la tension minimale attendue générée par le courant considéré traversant la résistance shunt, afin de minimiser l'erreur de mesure.

Les résistances shunt pour les applications de détection du courant sont disponibles avec deux ou quatre bornes. Une résistance shunt à deux bornes est la plus simple à comprendre, car elle fonctionne de la même manière que toute résistance à deux bornes. Le passage d'un courant dans la résistance shunt à deux bornes génère une tension proportionnelle au courant qui la traverse.

Des exemples de résistances shunt à deux bornes comprennent la série de résistances shunt CSS2 de Bourns et la série de résistances shunt WSLP de Vishay. La série CSS2 de Bourns comprend des résistances shunt avec des puissances nominales de 2 à 15 W, des résistances de 0,2 à 5 mΩ et des courants nominaux maximum de 140 à 273 A. Un appareil typique de la série, le CSS2H-2512R-L500F, est livré dans un boîtier à montage en surface 2512, avec une résistance de 0,5 mΩ et une puissance nominale de 6 W.

La famille de résistances shunt WSLP de Vishay comprend des dispositifs de plusieurs types de boîtiers à montage en surface avec des tailles d'empreinte allant de 0603 à 2512, avec des puissances nominales de 0,4 à 3 W, des résistances de 0,5 mΩ à 0,1 Ω et des tolérances de résistance de 0,5 ou 1 %. Une résistance shunt Vishay typique est la WSLP1206R0150FEA, disponible dans un boîtier 1206 avec une résistance de 15 mΩ, une tolérance de 1 % et une puissance nominale de 1 W.

Notez que ces résistances shunt à technologie à montage en surface (CMS) sont compactes et nécessitent très peu d'espace sur la carte. Toutefois, comme elles peuvent dissiper une quantité importante de chaleur, elles doivent être placées à l'écart des composants sensibles à la chaleur.

Trois résistances dans une résistance shunt

Malgré les apparences, les résistances shunt ne sont pas aussi simples qu'elles en ont l'air. En particulier, la résistance d'une résistance shunt consiste en trois résistances (Figure 2). Premièrement, il y a la résistance de la résistance shunt elle-même. Il y a ensuite les résistances des conducteurs de la résistance shunt et des conducteurs de la carte à circuit imprimé connectés à la résistance shunt. Normalement, ces résistances des conducteurs sont insignifiantes, mais les résistances shunt actuelles ont généralement des valeurs très basses. Dans les mesures de courant élevé, même des résistances des conducteurs minimes introduisent des erreurs de mesure, car elles ne font pas partie des spécifications de résistance du fabricant de la résistance shunt.

Figure 2 : Une résistance shunt à deux bornes possède trois résistances en série : la résistance de la résistance shunt réelle, la résistance des deux conducteurs de la résistance et la résistance des conducteurs ou des traces sur la carte à circuit imprimé se raccordant à la résistance (non illustrée). Les résistances des conducteurs peuvent provoquer des erreurs de mesure dans les mesures de courant élevé. (Source de l'image : Bourns)

Une façon d'éviter les erreurs de mesure introduites par les résistances des conducteurs superflues consiste à créer une connexion Kelvin en envoyant des traces de détection distinctes sur la résistance shunt à deux bornes (Figure 3).

Figure 3 : Une connexion Kelvin à une résistance de détection du courant à deux bornes réduit l'erreur de mesure provoquée par les résistances des conducteurs de la résistance et de la carte à circuit imprimé. Des exemples d'images de résistances shunt à deux bornes apparaissent à droite. (Source de l'image : Bourns)

Dans cette configuration, les grandes traces de la carte à circuit imprimé transportent le courant entrant et sortant de la résistance shunt. Des traces beaucoup plus petites qui ne sont pas dans le flux de courant principal, mais qui sont placées aussi près que possible de l'élément de résistance de la résistance shunt captent la tension à travers la résistance shunt et la transmettent au circuit d'entrée analogique. La séparation des bornes transportant le courant des bornes de détection définit la connexion Kelvin.

La Figure 4 illustre la représentation schématique résultante d'une connexion Kelvin utilisant une résistance shunt à deux bornes.

Figure 4 : L'utilisation d'une connexion Kelvin à une résistance shunt à deux bornes extrait les lignes de détection de tension du chemin de courant principal, permettant ainsi une mesure de tension plus précise sur la résistance shunt. (Source de l'image : Bourns)

Très peu de courant traverse les deux résistances de détection illustrées à la Figure 4, car elles sont connectées aux entrées à haute impédance d'un amplificateur ou d'un convertisseur analogique-numérique, ce qui rend leur résistance beaucoup moins critique que les valeurs de résistance des conducteurs entraînant les courants forts d'entrée et de sortie de la résistance shunt. Par conséquent, les chutes de tension aux bornes des résistances de détection sont relativement faibles et ne constituent pas une source d'erreur significative pour la mesure du courant.

Deux bornes ou quatre ?

Comme le montre le schéma de configuration de la Figure 3, il n'est pas possible d'éliminer complètement les résistances des conducteurs dans une résistance shunt à deux bornes, même lors de l'utilisation d'une connexion Kelvin. Une certaine tolérance de la disposition des pastilles doit exister pour compenser les erreurs de positionnement lorsque la résistance shunt est placée et soudée sur la carte à circuit imprimé.

De plus, le TCR des traces de cuivre de la carte à circuit imprimé (3 900 ppm/°C) est beaucoup plus élevé que le TCR de l'élément résistif de la résistance shunt (souvent inférieur à 50 ppm/°C). Ces différences paramétriques font que le changement de résistance dans les traces de la carte à circuit imprimé est beaucoup plus élevé que le changement de la résistance de détection du courant, ce qui rend la dépendance à la température du circuit de détection très élevée.

Lors de l'utilisation d'une résistance shunt à deux bornes avec une connexion Kelvin, le niveau de précision peut ne pas être suffisant pour de nombreuses applications de détection du courant impliquant des courants très élevés. Pour de telles applications, les fabricants proposent des résistances shunt avec quatre terminaux qui implémentent la connexion Kelvin dans la résistance. En l'incorporant, le fabricant peut contrôler complètement toutes les tolérances et les coefficients de température relatifs à la connexion Kelvin (Figure 5).

Figure 5 : Une résistance shunt à quatre bornes implémente une connexion Kelvin de haute précision avec les connexions de détection situées très près de la résistance shunt. Un exemple d'image d'une résistance shunt à quatre bornes apparaît à droite. (Source de l'image : Bourns)

Une résistance de détection du courant à quatre bornes utilisant une connexion Kelvin possède des terminaisons séparées pour le passage d'un courant élevé dans la résistance et pour la mesure de la tension, ce qui contribue à améliorer la précision de la mesure. De plus, l'utilisation d'une résistance shunt à quatre bornes avec une connexion Kelvin intégrée réduit les effets du TCR en fournissant une stabilité de température améliorée par rapport à une résistance shunt à deux bornes utilisant une configuration de carte à circuit imprimé pour implémenter la connexion Kelvin.

Bourns propose plusieurs résistances shunt à quatre bornes dans sa série de dispositifs à montage en surface CSS4 (Figure 6).

Figure 6 : Les résistances shunt à montage en surface CSS4 de Bourns utilisent une connexion Kelvin à quatre bornes pour optimiser la précision de mesure du courant. (Source de l'image : Bourns)

Les dispositifs représentatifs de la série CSS4 de Bourns comprennent les résistances shunt 1 %, 5 W, 0,5 mΩ CSS4J-4026R-L500F et les résistances shunt 1 %, 4 W, 2 mΩ CSS4J-4026K-2L00F. Ces deux dispositifs présentent un faible TCR, une faible force électromotrice thermique et une empreinte physique inférieure à 10 mm sur 7 mm.

Conclusion

La première étape de la mesure du flux de courant consiste à convertir le courant électrique en un paramètre de tension plus facilement mesurable. Les résistances shunt actuelles sont des composants peu coûteux qui accomplissent cette tâche. Cependant, comme indiqué, la valeur d'une résistance shunt doit être faible pour minimiser son impact sur le circuit et pour réduire la dissipation de puissance dans la résistance elle-même.

Les autres paramètres importants pour les résistances shunt incluent le coefficient de température de résistance et la force électromotrice thermique, qui peuvent tous les deux affecter de manière significative la précision de mesure du courant.

Pour terminer, afin de maximiser la précision des mesures, il est essentiel de garder le courant élevé traversant la résistance de détection du courant hors du trajet de détection, en utilisant un circuit imprimé spécial créant une connexion Kelvin pour une résistance de détection du courant à deux bornes, ou en utilisant une résistance de détection du courant à quatre bornes.

Comme une valeur de résistance faible signifie que la tension développée à travers la résistance de détection de courant est faible, la 2e partie de cette série d'articles aborde les considérations relatives à la conception d'un circuit d'entrée analogique qui amplifie la basse tension en une tension plus importante, permettant de la mesurer plus facilement à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique.

Références :

1. Pini, A. (2018). Select and Apply Current Sense Amplifiers Effectively to Better Manage Power. Bibliothèque d'articles de DigiKey.