Comprendre, sélectionner et utiliser efficacement les sondes de courant

Note de l'éditeur : cet article sur la mesure du courant et les sondes de courant est le troisième d'une série en trois parties sur les sondes et leur utilisation appropriée. La 1re partie était consacrée aux sondes passives haute impédance. Le deuxième article traitait des sondes asymétriques, différentielles et actives haute tension. La 3e partie, quant à elle, traite de la mesure du courant et des sondes de courant.

Il existe trois techniques courantes pour mesurer le courant avec un oscilloscope. La première consiste à utiliser une résistance (parfois appelée shunt) en série avec le courant à mesurer. La seconde consiste à utiliser un transformateur de courant, et la troisième à utiliser une sonde de courant. Dans la mesure où les trois méthodes requièrent que le courant à mesurer traverse le capteur de mesure, elles sont toutes quelque peu invasives.

La sonde de courant, puisqu'elle permet aux utilisateurs de mesurer le courant d'un conducteur sans avoir à le dessouder, est la technique la moins invasive. Cependant, les utilisateurs doivent comprendre certains principes fondamentaux des sondes de courant afin de tirer le meilleur parti des dernières conceptions de sonde.

Cet article décrit les différentes méthodes de mesure du courant avant de présenter les sondes de courant et la manière de les utiliser efficacement.

Le shunt d'ampèremètre

Le shunt d'ampèremètre est généralement intégré dans le circuit ou le dispositif de test associé. Le courant est déterminé en mesurant la chute de tension à travers la résistance connue du shunt. Il existe un compromis technique entre la résistance série du shunt et la sensibilité souhaitée de la mesure de courant.

L'idée est d'obtenir une chute de tension raisonnable, sans pour autant affecter les performances du circuit. En outre, la puissance nominale du shunt doit être suffisante pour le courant mesuré. Un exemple d'une résistance de shunt d'ampèremètre est le RSA-10-100 de Riedon. Cette résistance montée sur châssis présente une résistance de 0,01 Ω avec une tolérance de ±0,25 % et une puissance nominale de 1 W. La puissance nominale de la résistance définit le courant maximal à 10 A, produisant une tension de sortie de 100 mV. Un oscilloscope sert à mesurer la tension à travers le shunt. La plupart des oscilloscopes présentent des dispositions pour redimensionner cette tension dans un courant équivalent (Figure 1).

Figure 1 : Configuration des canaux d'un oscilloscope HDO4104 de Teledyne LeCroy, illustrant la configuration de redimensionnement qui permet une lecture verticale en ampères basée sur la valeur de la résistance shunt (source de l'image : DigiKey Electronics).

La configuration du canal d'entrée pour un oscilloscope HDO4104 de Teledyne LeCroy est typique de nombreux instruments, car elle permet de redimensionner les données verticales. Les commandes de redimensionnement permettent à l'utilisateur de spécifier les unités, les ampères dans cet exemple, et le facteur de redimensionnement en unités/volt. Dans le cas du RSA-10-100, le paramètre d'unités par volt est l'inverse de la valeur de résistance, ou 1/0,01 = 100. Il est également possible d'ajouter ou de soustraire un courant de décalage, ce qui pourrait être nécessaire pour un capteur actif. Une fois la configuration de redimensionnement entrée, le redimensionnement vertical du canal d'entrée de l'oscilloscope est lu directement en ampères, y compris les paramètres de mesure et les lectures du curseur.

Les résistances shunt répondent aux courants alternatif et continu avec des largeurs de bande limitées par l'inductance interne et la capacité des résistances.

Un complément à une résistance shunt plate standard est un shunt de courant d'impulsion ou coaxial. Ces dispositifs organisent les résistances shunt dans une géométrie cylindrique pour minimiser leur inductance. Les contacts de tension sont amenés à un connecteur coaxial d'une largeur de bande appropriée.

Les shunts coaxiaux sont disponibles avec des largeurs de bande jusqu'à des centaines de MHz en fonction de la valeur de résistance et du courant nominal maximum.

La taille du shunt coaxial est proportionnelle au courant nominal maximum et elle est bien supérieure à celle des shunts plats traditionnels.

Transformateur de courant

La détection magnétique du courant dans un conducteur est une autre possibilité. Le capteur magnétique le plus simple est le transformateur de courant (Figure 2).

Figure 2 : Le transformateur de courant détecte le courant dans un conducteur traversant l'ouverture d'un noyau de ferrite avec un enroulement secondaire multitour. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le conducteur transportant le courant à mesurer (I_Meas) passe par le centre d'un noyau de ferrite formant l'enroulement primaire d'un transformateur. Le courant induit un flux magnétique dans le noyau, proportionnel au courant. Un enroulement de lecture de N tours est utilisé pour détecter le flux magnétique. Le courant induit dans le secondaire est proportionnel au rapport de tours (rapport du nombre de tours dans le primaire sur le nombre de tours dans le secondaire, 1/N dans cet exemple).

Le courant secondaire est converti en une tension en le faisant passer à travers une résistance, le plus souvent la terminaison 50 W de l'oscilloscope. Le paramètre de redimensionnement du canal d'entrée est défini sur N/50 ampères/volt si la terminaison 50 W est utilisée. Le transformateur de courant ne fonctionne que pour les signaux CA. Il n'est pas possible de l'utiliser pour mesurer des courants continus.

Notez que le conducteur mesuré doit traverser le noyau. Cela peut impliquer de dessouder le fil pour l'insérer dans le noyau. Certains transformateurs de courant utilisent des noyaux fendus pour faciliter l'insertion du conducteur mesuré.

Sondes de courant

Les sondes de courant sont conçues pour offrir un moyen pratique de mesurer le courant. Elles peuvent être couplées CA, en utilisant la technologie de transformateur de courant, ou couplées CA/CC. Dans les deux cas, elles comprennent une géométrie à noyau fendu qui facilite l'insertion du conducteur porteur de courant sans avoir à le dessouder.

Le CP030 de Teledyne LeCroy est un bon exemple de sonde de courant CA/CC permettant de mesurer jusqu'à 30 A avec une bande passante de 50 MHz (Figure 3).

Figure 3 : La sonde CP030 de Teledyne LeCroy est une sonde de courant de 30 A, CC à 50 MHz. Elle est entièrement intégrée aux oscilloscopes Teledyne LeCroy utilisant l'interface ProBus. (Source de l'image : Teledyne LeCroy).

La sonde CP030 utilise une technologie hybride exploitant à la fois un dispositif à effet Hall pour les signaux CC et CA basse fréquence et un transformateur de courant pour les signaux CA haute fréquence (Figure 4).

Figure 4 : Schéma fonctionnel de la sonde de courant CA/CC CP030. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La sonde CP030 est construite sur un noyau de ferrite fendu, ce qui permet une insertion rapide du conducteur transportant le courant mesuré.

Elle intègre un capteur à effet Hall dans un espace dans le noyau et un enroulement de contre-réaction. Le capteur à effet Hall, lorsqu'il est correctement polarisé, produit un courant de sortie proportionnel au flux dans le noyau. Cette sortie est amplifiée et entraîne l'enroulement de contre-réaction pour obtenir une condition de flux nul dans le noyau. À ce stade, le courant à travers l'enroulement de contre-réaction est proportionnel au flux dû au conducteur porteur de courant.

La terminaison de sortie convertit ce courant en tension. À mesure que la sortie du capteur à effet Hall diminue avec l'augmentation de la fréquence, l'enroulement de contre-réaction agit comme un transformateur de courant, mesurant avec précision les composants haute fréquence du signal mesuré.

La sensibilité de la sonde CP030 est de 1 V/A. La sonde communique cette information à l'oscilloscope via l'interface ProBus. L'oscilloscope ajuste automatiquement le redimensionnement du canal auquel la sonde est branchée pour lire en ampères (Figure 5).

Figure 5 : Configuration des canaux dans un oscilloscope HDO 4104 de Teledyne LeCroy avec une sonde CP030 connectée. La sonde est automatiquement reconnue, comme indiqué dans la zone d'entrée de la sonde. Le redimensionnement correct est automatiquement renseigné dans l'entrée d'unités/V et les unités verticales sont définies sur Ampères. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

En plus de détecter et de redimensionner la sortie de la sonde, l'oscilloscope inclut une boîte de dialogue avec toutes les commandes liées à la sonde (Figure 6).

Figure 6 : Boîte de dialogue de configuration de la sonde CP030, illustrant les commandes de démagnétisation et d'annulation automatique du décalage de la sonde. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Cela inclut les commandes de démagnétisation et d'annulation automatique du décalage. La démagnétisation élimine tout flux résiduel dans le noyau de la sonde en appliquant un signal démagnétisant. La démagnétisation doit être utilisée avant toute mesure critique pour assurer la meilleure précision. La commande d'annulation automatique du décalage définit tout décalage de la sortie de la sonde à 0 V lorsqu'aucun courant n'est présent. Le fait d'avoir ces commandes sur l'oscilloscope signifie qu'elles ne prennent aucun espace dans le corps de la sonde ou la boîte d'interface, rendant la sonde plus petite. La boîte de dialogue permet également d'identifier la sonde et de fournir ses spécifications importantes.

Techniques courantes pour augmenter l'utilité des sondes de courant

Lors de la mesure de petits courants, il est possible d'augmenter la sensibilité d'une sonde de courant en enroulant plusieurs tours dans le primaire (Figure 7A).

Figure 7 : Augmentez la sensibilité de la sonde de courant en enroulant plusieurs tours à travers le noyau de la sonde (A). Effectuez une mesure différentielle en insérant plusieurs conducteurs dans le noyau de la sonde (B). (Source de l'image : Teledyne LeCroy)

Comme dans tout transformateur, la sensibilité de la sonde augmente suivant le nombre de tours passant à travers le noyau de la sonde. Dans cette Figure, il y a quatre tours dans le noyau de la sonde, ce qui augmente la sensibilité d'un facteur quatre. Ce facteur doit être entré manuellement dans les paramètres de redimensionnement de la sonde. Notez également que l'impédance d'insertion augmente suivant le carré du nombre de tours. Dans ce cas, l'impédance augmente d'un facteur de seize. Puisque la mesure est destinée à de faibles niveaux de courant, la chute de tension à travers cette impédance est généralement faible et devrait avoir un effet minimal sur la mesure.

Si plusieurs conducteurs sont passés dans la sonde, l'oscilloscope va lire le courant net (Figure 7B). Cette technique peut servir à mesurer le courant différentiel dans deux conducteurs. Elle permet également d'annuler un important courant de décalage en passant un conducteur avec un courant continu équivalent dans la direction opposée. Cela peut étendre la portée de la sonde de courant.

Utilisation de sondes de courant tierces

De nombreux fabricants fournissent des sondes de courant destinées au marché général des oscilloscopes n'utilisant pas d'interfaces propriétaires. Ces sondes intègrent une source d'alimentation et des commandes pour la démagnétisation et l'ajustement du décalage CC de la sonde. Un exemple est le CP6990O-NA, une sonde de courant autonome CA/CC de 40 A, 1,5 MHz de Cal Test Electronics (Figure 8).

Figure 8 : Sonde de courant autonome CP6990-NA de Cal Test Electronics avec ses accessoires associés (source de l'image : Cal Test Electronics)

Cette sonde de courant est alimentée par batterie et se connecte directement à un oscilloscope à l'aide du câble BNC fourni. La sonde présente deux plages de sensibilité, 1 V/A ou 100 mV/A. Le champ de redimensionnement sur un HDO4104 de Teledyne LeCroy aurait une entrée de 1 ou 10 unités/V, respectivement. Logiquement, l'option A est sélectionnée pour le champ de l'unité. Les échelles verticales pour le canal sélectionné sont maintenant étalonnées en ampères.

Conclusion

Les oscilloscopes peuvent servir à effectuer des mesures de courant en utilisant des shunts d'ampèremètre, des transformateurs de courant ou des sondes de courant. Quel que soit le capteur utilisé, le canal d'oscilloscope peut être redimensionné pour lire directement en unités de courant.

La sonde de courant est le dispositif le plus facile à utiliser en raison de sa simplicité de connexion. Les sondes de courant fournies par le fabricant de l'oscilloscope détectent la sonde et redimensionnent automatiquement les données actuelles.