Des incertitudes sur le décalage et le gain peuvent être introduites par une étape intermédiaire de mise à l'échelle et d'adaptation de niveau.
L'utilisation d'une résistance de charge dans les applications en boucle fermée introduit des modificateurs de précision.
L'étape finale de conversion des informations de courant analogiques en format numérique implique un nombre effectif de bits et une résolution finale du courant mesuré.
De nombreuses applications d'électronique de puissance nécessitent une plage de mesure plus étendue pour le dispositif de mesure de courant. Cette plage étendue couvre la plage de fonctionnement normale (80 % à 125 % du courant nominal) et la plage de protection (300 %). Cela peut limiter la plage dynamique de contrôle disponible.
Détection de surintensité :
L’avènement de la détection de courant par circuit intégré spécifique (ASIC) a permis d’intégrer des fonctions supplémentaires. L’ASIC est situé dans la cavité centrale (voir Fig. 1). Outre les technologies de réduction du décalage, telles que la rotation de la cellule à effet Hall (voir Fig. 2) ou la sensibilité programmable, il est possible d’intégrer la détection de surintensité (OCD) sous forme de sortie programmable distincte. L’OCD change d’état, par exemple en passant à un collecteur ouvert, lorsqu’un seuil de déclenchement est dépassé. Grâce à une broche OCD externe, la plage de mesure du transducteur n’a plus besoin d’inclure les pics de protection, et la plage de mesure complète peut être concentrée sur la plage de fonctionnement dynamique de l’application.
Le dispositif de protection contre les surintensités (OCD) peut être programmé pour différents seuils de déclenchement, réglables à 250 % ou 300 %. Pour la série LEM HO, la programmabilité atteint 570 % du courant nominal du transducteur. La surintensité détectée dépasse la plage de mesure nominale du transducteur. Un transducteur de 8 A peut être programmé avec un seuil OCD de 45,6 A.
Le dispositif OCD permet de supprimer un circuit de protection dédié à la détection des surintensités ou à une exigence similaire. On gagne ainsi de la place sur la carte et on réduit le nombre de composants. Un tel circuit de protection pourrait se composer d'un comparateur et de plusieurs résistances ; on pourrait ainsi supprimer jusqu'à cinq composants discrets.
Plage dynamique concentrée :
grâce à la fonction de protection assurée par la sortie OCD, la plage de mesure est concentrée dans la plage de contrôle dynamique. Le transducteur interagira principalement avec un dispositif 5 V ou 3,3 V pour la conversion analogique-numérique. Si l’information d’amplitude du courant peut être fournie dans la plage 5 V ou 3,3 V, le nombre de circuits intermédiaires nécessaires, tels que les régulateurs de niveau et les convertisseurs d’échelle, sera réduit. Les circuits intégrés spécifiques (ASIC) à base de transducteurs fonctionnent majoritairement en 5 V, et les versions 3,3 V sont de plus en plus disponibles. Historiquement, la plage dynamique a été définie comme 0,625 V/courant nominal pour les dispositifs 5 V. Cela permet à un dispositif bidirectionnel (mesure en courant alternatif) d’avoir un point de courant nul défini comme une sortie de 2,5 V. Le courant, dans un sens ou dans l’autre, augmente ou diminue la tension de sortie du transducteur par rapport à sa valeur initiale de 2,5 V (courant primaire nul). Par exemple, pour une application de 10 A (10 A correspondant à 100 % de la charge), le transducteur aurait une capacité de 10 A avec un courant de crête de 30 A pour assurer la protection. Une sensibilité de 0,625 V/10 A (LEM HXS 10-NP/SP4, par exemple) permet une mesure à 300 % (sortie de 30 A ou 4,375 V) pour la protection. Les valeurs de tension/intensité sont de 0,625 V/10 A ou 62,5 mV/A.
Multiplication magnétique :
La méthode consistant à monter plusieurs enroulements conducteurs en série sur un transducteur est une technique bien connue, souvent appelée « multiplication magnétique ». Elle est utile lorsque le courant nominal du transducteur est supérieur au courant primaire de l’application. Il est important d’exploiter au maximum la plage dynamique du transducteur afin de minimiser les erreurs de décalage et de linéarité. La somme des champs magnétiques des conducteurs est un multiple défini par le nombre d’enroulements en série. Ceci est illustré dans les exemples d’applications CA et CC suivants.
Application CA :
Avec surveillance OCD pour la protection, la plage dynamique complète peut être utilisée pour le contrôle. L’exemple d’application précédent pour 10 A peut être appliqué à un transducteur de 15 A (LEM HO 15-NP). Le courant circule trois fois en série à travers les trois barres omnibus distinctes. Avec 125 % de la valeur nominale de l’application comme limite supérieure de la plage, le courant maximal sera de 37,5 A. À 100 % de la valeur nominale (10 A), le transducteur est soumis à un courant de 30 A. Ceci correspond à une sensibilité initiale de 53,33 mV/A.
Le capteur HO 15-NP présente une sensibilité de 160 mV/A. À titre de comparaison, un transducteur standard de 10 A offre une sensibilité de 62,5 mV/A, soit un facteur de 2,56. Les courants plus faibles s'élèvent au-dessus du bruit de fond, permettant ainsi d'exploiter une plus grande partie de la plage dynamique disponible. Ceci illustre une application en courant alternatif nécessitant l'utilisation des deux côtés du point de courant nul à 2,5 V.
Application CC unidirectionnelle :
Dans une application CC unidirectionnelle, la tension de référence (Vref) permet d’étendre considérablement la plage dynamique de mesure. En utilisant un transistor LEM HO 8-NP et en doublant le courant primaire trois fois en série, on obtient un courant d’application maximal (125 %) de 37,5 A. Avec une Vref à verrouillage ou programmée de sorte que 0,5 V représente 0 A, on atteint une sensibilité de 100 mV/A au niveau du transducteur. La tension de sortie crête obtenue à 37,5 A est de 4 250 V, avec une amplitude de 3,75 V pour une variation de 12,5 A, soit 300 mV/A. Une application CC qui fonctionnait auparavant à 62,5 mV/A peut désormais fonctionner à 300 mV/A. Dans une application 5 V/12 bits, un bit représente 1,22 mV. La tension de sortie se situe entre 0,50 V et 4,250 V, correspondant à un courant de 0 A à 12,5 A et à une résolution de 3 072 bits. Dans une application typique de 10 A, sans variation de Vref ni OCD, la plage de fonctionnement de 0 à 12,5 A est représentée par une tension de 2,5 V à 3,28 V. Cette plage de 0,781 V équivaut à 640 bits. La résolution par bit est de 4,1 mA avec la méthode de variation de Vref/OCD, et de 19,5 mA sans les fonctions ASIC. La combinaison de la variation de Vref et de l'OCD offre un contrôle du courant beaucoup plus précis.
Tous les transducteurs à base de circuits intégrés spécifiques (ASIC) n'offrent pas la plage de courant maximale. Le HO 8-NP de LEM permet une plage dynamique accrue. En revanche, le HO 25-NP de LEM n'offre pas une plage de mesure aussi étendue lorsque la tension de référence (Vref) atteint 0,50 V. De manière générale, les transducteurs de courant à plage plus étroite, au sein d'une même famille, présentent une plage de mesure disponible plus large que les modèles à plage de courant plus élevée.
Dissipation thermique :
Dans les transducteurs de petite taille, lorsque la plage dynamique est pleinement exploitée, les conducteurs génèrent une chaleur de l’ordre de quelques watts. Les barres conductrices intégrées présentent une résistance inférieure à un milliohm. Cependant, avec des courants atteignant 150 A, même le LEM HLSR 50-P de 200 Ω génère 4,5 W. Les transducteurs modernes à base de circuits intégrés spécifiques (ASIC) peuvent généralement fonctionner à des températures comprises entre 105 °C et 125 °C. Pour les transducteurs à base d’ASIC avec barres conductrices, la température maximale de ces dernières est limitée (120 °C étant une valeur typique). Par conséquent, une génération de chaleur plus importante ne pose pas de problème si la dissipation thermique est prise en compte. Il est essentiel d’optimiser la longueur des pistes du circuit imprimé et du cuivre entourant les broches du transducteur afin de favoriser la dissipation de la chaleur. La circulation de l’air joue un rôle important. L’un des défis consiste à dimensionner les pistes du transducteur au minimum requis par le courant de conception. Des pistes trop fines n'absorberont pas suffisamment de chaleur, et même une température ambiante élevée (85 °C) pourrait entraîner le dessoudage du transistor. Un examen approfondi des températures de fonctionnement des composants finaux doit inclure celles du noyau, des joints de soudure et de la barre omnibus.
Conclusion :
La mise en œuvre d’une plage dynamique plus étendue grâce à l’utilisation de transducteurs à base d’ASIC avec fonctionnalité OCD offre plusieurs avantages :
- Réduction du nombre de composants et amélioration de la fiabilité grâce à la diminution du nombre de composants discrets.
- Amélioration de la résolution du convertisseur analogique-numérique.
- Sensibilité accrue et gain global amélioré grâce à l'augmentation du voltage par ampère.
- Amélioration du rapport signal/bruit.
Un transducteur de courant basé sur un circuit intégré spécifique (ASIC) avec fonction OCD représente un progrès dans la mesure du courant en termes de résolution, de sensibilité, de fiabilité et d'immunité au bruit.
Auteur
Erik Lange, ingénieur marketing et applications, LEM USA, Inc.
