Caractéristiques du transducteur de courant en boucle fermée

Un transducteur de courant correctement sélectionné pour une application peut facilement offrir plus de 25 ans de service. En reconnaissant les détails derrière la fiche technique, des applications plus performantes et des conceptions plus robustes sont possibles.

Erik Lange, ingénieur marketing et applications | LEM USA, Inc.

La mesure du courant fait partie intégrante de l’électronique de puissance. Les transducteurs de courant fournissent cette mesure avec différentes technologies disponibles. La technologie la plus couramment utilisée est l’effet Hall en boucle fermée ou la porte de flux en boucle fermée. La technologie en boucle fermée offre de nombreux avantages spécifiques nécessaires aux concepteurs d'électronique de puissance. Cependant, certains détails peu connus peuvent rendre une candidature exceptionnelle ou entraîner un échec. Vous trouverez ci-dessous quelques-unes des caractéristiques à prendre en compte.

Les transducteurs de courant sont des dispositifs passifs dans le sens où ils n'influencent pas activement le courant mesuré, mais ils nécessitent néanmoins de l'énergie pour fonctionner. Les exigences d'alimentation typiques se situent dans la plage inférieure à 30 mA, quelle que soit la tension d'alimentation. La plupart des transducteurs nécessitent une alimentation bipolaire (+/-15 V étant typique). Les transducteurs à alimentation unipolaire sont de plus en plus disponibles. Les appareils en boucle fermée ont des exigences de consommation de courant supplémentaires pour leurs courants secondaires.

Les transducteurs de courant (à ne pas confondre avec les transformateurs de courant) peuvent mesurer les courants continus et alternatifs. La mesure DC nécessite des transducteurs de courant. C'est l'une des deux caractéristiques qui distinguent les transducteurs des autres formes de mesure de courant. Un courant alternatif pur pourrait être mesuré par un transformateur de courant commun. Mais si le courant mesuré comporte des périodes sans di/dt, un transducteur de courant est nécessaire.

L'isolation galvanique est la deuxième caractéristique qui détermine la sélection d'un transducteur de courant comme solution pour une application de mesure de courant. Le circuit primaire et le circuit secondaire du transducteur de courant sont électriquement isolés l'un de l'autre. Cela permet un potentiel primaire élevé (480 V) tandis que le secondaire est une tension de commande plus faible (+/-15 V ou +5 V). L'isolation galvanique est réalisée grâce au magnétisme. Le courant primaire génère un champ magnétique qui est concentré par un circuit magnétique. Un appareil de mesure magnétique mesure le champ B et fournit l'intensité sous une forme quelconque (tension ou courant de seuil). Les informations d'intensité sont converties en une sortie de tension ou de courant proportionnelle au courant primaire.

Le transducteur de courant original développé est l’effet Hall en boucle ouverte. Ce transducteur se compose de trois parties : un circuit magnétique, une cellule Hall et un amplificateur. La sortie est une tension proportionnelle au courant primaire.

La prochaine avancée dans la technologie des transducteurs est l’effet Hall en boucle fermée. La boucle fermée reprend le concept de boucle ouverte et ajoute un enroulement secondaire à la sortie. Cet enroulement secondaire est enroulé autour du circuit magnétique de manière à ce que le courant secondaire crée un champ magnétique opposé à celui créé par le courant primaire. Cela crée un noyau relativement sans flux. Les avantages de la boucle fermée sont une quasi-absence de courants de Foucault et une bande passante plus élevée. La sortie peut être modélisée comme une source de courant avec un courant proportionnel au courant primaire dans un rapport déterminé par le nombre d'enroulements secondaires. Le fait que le gain soit déterminé par le nombre d'enroulements secondaires le rend pratiquement insensible aux variations de gain en fonction de la température. La fiche technique d'un transducteur en boucle fermée n'indiquera pas d'effet de la température sur les caractéristiques de gain. Il n'y a aucun effet sur le gain de température dans un appareil en boucle fermée. La sortie courant est un avantage car elle est moins sensible aux sources de bruit au sein de l’application. Le courant de sortie d'une boucle fermée est généralement piloté par une résistance de « charge ». Le courant traversant la résistance crée une chute de tension qui peut être mesurée par un circuit intégré analogique-numérique ou un circuit intégré comparateur.

Figure 1. Boucle fermée

Le Flux Gate en boucle fermée remplace la cellule Hall par un détecteur Flux Gate. Le Flux Gate est un morceau de matériau magnétique inséré dans un espace du circuit magnétique. Le noyau du Flux Gate est entouré d’un enroulement qui est stimulé par une tension d’onde carrée. Le courant induit est mesuré et lorsqu'il atteint un certain seuil, le cycle d'onde carrée change. Le rapport cyclique de l'onde carrée est proportionnel au courant primaire. La technologie Flux Gate est de nature numérique et possède une horloge interne qui peut apparaître sous forme de bruit à la fréquence d'horloge. Cependant le bruit est bien supérieur à la bande passante du transducteur. Ainsi, le système complet se compose de : un circuit magnétique, un Flux Gate et un enroulement, un ASIC et un enroulement secondaire. La résistance de charge peut être interne au dispositif qui produira alors une sortie de tension. Sinon, une sortie actuelle serait générée. Il existe d'autres technologies Flux Gate qui utilisent différents schémas d'excitation et de détection, mais les résultats globaux sont similaires.