Principes de base de la mesure du courant : 2e partie – Amplificateurs de détection du courant

Par Steve Leibson

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Note de l'éditeur : la 1re partie de cette série en deux parties a abordé les nuances des résistances de détection du courant. Cette 2e partie traite de la conception et de l'utilisation des amplificateurs pour augmenter la tension développée à travers eux à des niveaux utilisables.

Les résistances de détection du courant, également appelées résistances shunts, constituent la technologie de choix pour mesurer le flux de courant. Afin de ne pas affecter défavorablement le flux de courant, elles présentent une faible valeur qui produit une tension proportionnellement faible à travers elles. Par conséquent, les concepteurs doivent utiliser des circuits qui amplifient cette petite tension pour une conversion en amont par un convertisseur analogique-numérique (CAN).

La petite tension traversant la résistance shunt doit généralement passer de dizaines ou de centaines de millivolts à des dixièmes de volts ou à des volts. Cette tâche est fréquemment réalisée par un amplificateur opérationnel ou un amplificateur de détection du courant. Un amplificateur de détection du courant est un amplificateur opérationnel spécialisé, doté d'un réseau de résistances de précision ajustées au laser et intégrées dans le dispositif pour définir son gain. Habituellement, les gains de tension de l'amplificateur sont de l'ordre de 20 à 60, et parfois même encore plus.

L'amplificateur de détection du courant peut inclure ou non la résistance shunt dans le même boîtier. Pour les applications haute puissance, une résistance shunt externe est préférable, car la dissipation de puissance se traduit en chaleur.

La configuration de chaîne de signaux la plus courante pour la surveillance du flux de courant inclut la résistance shunt, un circuit d'entrée analogique (AFE), un convertisseur analogique-numérique et un contrôleur système (Figure 1). Un circuit d'entrée analogique, comme 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 que le CAN peut utiliser.

Schéma de la mesure du flux de courant avec une résistance shunt

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 se développe 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)

Il existe deux façons basiques de brancher une résistance shunt à un circuit pour mesurer un courant bas potentiel et haut potentiel. Les deux approches présentent des avantages et des inconvénients.

Mesures du courant bas potentiel

Une mesure du courant bas potentiel place la résistance shunt entre la charge active et la masse. Le circuit le mieux adapté aux mesures du courant bas potentiel est illustré à la Figure 2. Le circuit utilise un amplificateur de détection du courant INA181 de Texas Instruments, bien qu'il existe de nombreux autres amplificateurs pouvant être utilisés pour les mesures bas potentiel.

Schéma de mesure du courant bas potentiel avec l'INA181 de Texas Instruments

Figure 2 : Un circuit de mesure du courant bas potentiel qui utilise l'INA181 de Texas Instruments place la résistance de détection du courant entre la charge active et la masse. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les mesures du courant bas potentiel sont simples à implémenter, car la tension de détection qui traverse la résistance shunt est référencée à la masse. Cette configuration permet à l'amplificateur de détection du courant de jouer le rôle de composant basse tension, car la tension détectée est de l'ordre de seulement quelques millivolts au-dessus de la référence à la masse. Dans cette configuration, comme la tension de détection ne dépend pas d'une tension supérieure, aucune réjection du mode commun n'est nécessaire. La méthode de mesure du courant bas potentiel est la méthode la plus facile et la plus économique à implémenter.

L'inconvénient de la mesure du courant bas potentiel est que la charge n'est plus référencée à la masse à cause de la position de la résistance shunt, ce qui a pour conséquence de placer la partie bas potentiel de la charge à plusieurs millivolts au-dessus de la masse.

L'absence de référence à la masse peut poser problème si un court-circuit survient entre la charge et la masse. Cela peut se produire, par exemple, lorsqu'une charge en boîtier métallique, comme un moteur, présente un court-circuit d'enroulement au niveau de son boîtier référencé à la masse. Il est possible que la résistance shunt ne soit pas capable de détecter un court-circuit de ce type.

De plus, la tension d'entrée de mode commun de l'amplificateur doit inclure la masse pour réaliser une mesure bas potentiel. Ce n'est généralement pas un problème pour les amplificateurs exécutés sur des alimentations positives et négatives, mais cela peut poser problème pour ceux avec une seule alimentation. C'est pourquoi le fait d'avoir une plage de tensions de mode commun qui inclut la masse devient un critère important lors de la sélection de l'amplificateur approprié pour réaliser des mesures bas potentiel.

Il reste un aspect important à prendre un compte dans la réalisation de mesures bas potentiel. Notez que le CAN ADS114 de Texas Instruments à la Figure 2 est directement référencé à la masse et que le nœud d'entrée bas potentiel du CAN est situé à proximité de la connexion de référence à la masse d'entrée de l'amplificateur de détection du courant INA181.

Pour la détection du courant avec de petites tensions développées à travers des résistances shunt à faible résistance et passant de forts courants de charge, il est important de garder à l'esprit que toutes les masses n'auront pas toujours le même potentiel. Il est assez facile de développer des millivolts de différentiel entre un point de masse et un autre dans un système où les réseaux de terre ou les plans de masse transportent les forts courants associés à de nombreuses applications de puissance. Par mesure de précaution, veillez toujours à ce que les références à la masse soient câblées à proximité les unes des autres afin de minimiser les différences de tension entre elles.

Pour éliminer cette source d'erreur, la broche de référence à la masse du CAN doit être connectée à proximité du bas potentiel de la résistance de détection du courant et de l'entrée bas potentiel de l'amplificateur de détection du courant. Le point de connexion ne peut tout simplement pas être une partie pratique du plan de masse. Pour une garantie supplémentaire, notez cette exigence directement sur le schéma et indiquez une connexion en étoile pour les références à la masse, de façon à réellement souligner le point.

De même, la tension de décalage d'entrée de l'amplificateur de détection du courant affecte de façon disproportionnelle la précision de l'amplification lorsque la tension sur la résistance shunt est faible. Par conséquent, il est préférable de sélectionner un amplificateur doté d'une tension de décalage d'entrée très faible. L'amplificateur INA181 illustré à la Figure 2 ci-dessus présente une tension de décalage d'entrée de ±150 µV pour les configurations de mesure bas potentiel sans tension de mode commun.

Malgré quelques inconvénients, la configuration de mesure bas potentiel est un bon choix lorsque la charge ne doit être pas référencée à la masse et que les courts-circuits internes entre la charge et la masse ne posent pas problème ou ne doivent pas être détectés par le circuit de mesure du courant.

Toutefois, pour les conceptions qui doivent répondre à des exigences de sécurité fonctionnelle, la technique de mesure du courant haut potentiel est un meilleur choix.

Mesures du courant haut potentiel

La technique de mesure du courant haut potentiel insère la résistance shunt entre la source d'alimentation et la charge active, comme illustré à la Figure 3, en utilisant l'amplificateur de détection du courant INA240 comme circuit d'entrée analogique. La tension d'entrée de mode commun du dispositif peut considérablement dépasser sa tension d'alimentation, ce qui en fait une solution adaptée aux mesures de courant haut potentiel.

Schéma du circuit de mesure du courant haut potentiel avec l'INA240 de Texas Instruments

Figure 3 : Un circuit de mesure du courant haut potentiel place la résistance de détection du courant entre la source d'alimentation et la charge active. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les mesures de courant haut potentiel présentent deux principaux avantages par rapport aux mesures bas potentiel. Premièrement, il est facile de détecter un court-circuit de la charge à la masse, car le courant résultant de ce court-circuit traversera la résistance shunt et développera ainsi une tension à travers elle. Deuxièmement, comme cette technique de mesure n'est pas référencée à la masse, les tensions de masse différentielles développées par les forts courants traversant le plan de masse n'auront pas d'incidence sur la mesure. Toutefois, il reste préférable de placer soigneusement la connexion de référence à la masse du CAN à proximité de la masse de l'amplificateur.

La technique de mesure du courant haut potentiel présente un inconvénient majeur. Comme mentionné ci-dessus, cela implique que l'amplificateur de détection du courant présente une réjection du mode commun élevée, car la petite tension développée à travers le shunt d'ampèremètre est juste en dessous de la tension d'alimentation de la charge. Selon la conception du système, cette tension de mode commun peut être assez importante. L'amplificateur de détection du courant INA240 illustré à la Figure 3 a une vaste plage de mode commun de -4 à 80 V.

Résistances de gain intégrées ou non ?

Les Figures 2 et 3 illustrent les configurations de mesure de courant bas potentiel et haut potentiel, qui emploient toutes deux des amplificateurs de détection du courant avec des résistances de réglage du gain intégrées. Ces résistances intégrées offrent de nombreux avantages, notamment la simplification de la conception, la réduction des composants sur la carte et une précision de gain ajustée au laser. L'inconvénient majeur de l'utilisation de tels amplificateurs est que le gain est défini en usine de façon permanente. Cela n'est pas un problème si le réglage du gain est adapté à l'application en question. Toutefois, si l'application exige un gain unique parce que la valeur de la résistance shunt a été sélectionnée pour répondre à d'autres critères, alors un amplificateur opérationnel combiné à des résistances discrètes constitue un meilleur choix.

La Figure 4 montre un circuit d'amplificateur de détection du courant dédié aux mesures de courant haut potentiel, basé sur l'amplificateur opérationnel MCP6H01 de Microchip Technology et sur des résistances de réglage de gain discrètes.

Schéma de la configuration de mesure de courant haut potentiel à l'aide de résistances discrètes et d'un amplificateur opérationnel

Figure 4 : Configuration de la mesure du courant haut potentiel à l'aide de résistances discrètes et d'un amplificateur opérationnel. (Source de l'image : Microchip Technology)

Dans ce circuit, le gain de l'amplificateur est défini par le rapport R2 divisé par 1. Notez également que R1* = R1, R2* = R2, et que la résistance shunt RSEN doit être bien plus petite que R1 ou R2. Habituellement, ce n'est pas un problème, car la valeur de la résistance shunt est généralement de l'ordre des milliohms ou de fractions de milliohms pour les applications à très fort courant.

Les équations présentées à la Figure 4 indiquent clairement que l'utilisation d'un amplificateur opérationnel avec des résistances discrètes requiert des spécifications de composants un peu plus importantes que lorsque des amplificateurs de détection du courant sont utilisés avec des résistances de réglage du gain internes.

Conclusion

Les amplificateurs de détection du courant transforment les basses tensions développées à travers les résistances shunt en tensions plus élevées, plus compatibles avec la conversion CAN. Il existe deux types de mesure de détection du courant possibles : bas potentiel et haut potentiel. Les mesures bas potentiel placent la résistance de détection du courant entre la charge et la masse, tandis que les mesures haut potentiel placent la résistance de détection du courant entre l'alimentation et la charge. Les deux configurations de mesure bas potentiel et haut potentiel présentent des avantages et des inconvénients. Il est donc nécessaire de réfléchir et de considérer l'application en question avant de faire un choix.

Pour mesurer un courant, il est possible d'utiliser un amplificateur de détection du courant spécialement conçu avec le gain défini en usine à l'aide de résistances ajustées au laser intégrées, ou un amplificateur opérationnel approprié et des résistances discrètes. Le premier choix réduit le nombre de composants sur la carte et simplifie la conception du circuit d'entrée analogique. Cependant, si la conception du circuit d'entrée analogique requiert un gain personnalisé pour s'adapter à une valeur spécifique de résistance shunt et à une plage de tensions d'entrée CAN, le second choix est préférable.

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À propos de l'auteur

Steve Leibson

Steve Leibson a été ingénieur système pour HP et Cadnetix, rédacteur en chef pour EDN et Microprocessor Report, blogger technique pour Xilinx et Cadence (entre autres), et il est intervenu en tant qu'expert technologique dans deux épisodes de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Il a aidé les ingénieurs de conception à développer des systèmes améliorés, plus rapides et plus fiables pendant 33 ans.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key