Bien choisir sa résistance pour la mesure de courant

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MES U R E é lec tr i que
Bien choisir sa résistance pour la mesure de courant
H
Les résistances de faible valeur ohmique ou “shunts” sont de plus en plus utilisées pour la mesure et le contrôle de courants.
Dans l’automobile, le choix d’un shunt peut toutefois se révéler difficile (présence de courants forts et importantes variations
de températures). Des alliages faiblement résistifs et au coefficient de dilatation proche de celui des circuits imprimés
existent aujourd’hui sur le marché. Encore faut-il prendre en compte un certain nombre de paramètres pour assurer
la fiabilité de la mesure.
L
a détection et la mesure de courant
prennent chaque jour une place
plus importante dans l’industrie
électronique. Cela est particulièrement vrai dans le secteur de l’électronique
automobile, où la multiplication des composants électriques se conjugue à la nécessité
de réduire toujours plus leur consommation.
Ces dernières années, deux méthodes pour
la mesure de courant se sont généralisées :
les capteurs de courant magnétiques d’une
part, et les shunts de mesure d’autre part (on
les appelle aussi “résistances de faible valeur
ohmi-que”). Celles-ci ont chacune leur domaine de prédilection.
Les principaux avantages des capteurs magnétiques (transformateurs de courant, capteurs
à effet Hall ou à sonde
magnétique, etc.) sont
L’essentiel
leur isolation électrique élevée et leur
PLe shunt bénéficie
faible dissipation therd’une place de choix dans
mique. C’est la raison
le domaine de la mesure
de courant, et les derniers
pour laquelle cette
développements
technologie est utilisée
garantissent son utilisation
pour les variateurs de
pour les années à venir.
vitesse ou les courants
PLes industriels de l’automode très forte intensité.
bile disposent désormais de
Ils présentent néanshunts adaptés aux courants
moins des inconvéforts et aux écarts impornients, parmi lesquels
tants de température.
un encombrement imPPour choisir le shunt
portant, ainsi qu’une
le plus adapté à son applivaleur d’offset élevée et
cation, l’utilisateur doit
une linéarité limitée.
néanmoins prendre
Le shunt est, quant à
en compte plusieurs
lui, une technologie
caractéristiques telles que
beaucoup plus anle coefficient thermique,
cienne. Il n’empêche,
l’inductance liée à la forme
grâce aux progrès réadu shunt ou encore
le mode de connexion
lisés en matière d’amde l’électronique de mesure.
plificateurs opérationnels ou de systèmes
50
d’acquisition de données, on peut les retrouver dans des domaines où personne ne les
aurait imaginés il y a encore dix ans. L’arrivée
de résistances shunt à très faible valeur ohmique, de même que la demande en composants toujours plus miniaturisés, fait
qu’aujourd’hui ils sont particulièrement
adaptés au monde automobile.
Dans un véhicule, le contrôle et la régulation
des actionneurs du compartiment moteur
demandent en règle générale des courants de
1 à 100 A. Ils peuvent atteindre 300 A dans
certains cas (près de la sonde de préchauffage
lambda) et même aller jusqu’à 1 500 A lors de
la phase de démarrage du véhicule. Que ce soit
pour la gestion de la batterie ou pour la ges-
tion globale de la puissance électrique du véhicule, cette dynamique de mesure peut être
encore plus forte : il faut à la fois gérer des
courants continus de 100 A à 300 A durant le
fonctionnement du véhicule, et mesurer les
quelques milliampères encore présents en
mode veille, quand le véhicule est arrêté.
D’après la loi d’Ohm, lorsqu’un shunt est
utilisé pour la mesure d’un courant, la chute
de tension à ses bornes est directement proportionnelle à l’intensité du courant électrique. La mesure ne pose aucun problème
avec des valeurs de résistance de plus d’un
ohm et pour des courants de plusieurs centaines de milliampères. Mais dès lors que les
courants dépassent 10 ou 20 A, la situation
Influences sur les caractéristiques d’un shunt
Matériaux
Design
Processus*
Faible coefficient de température



Très bonne stabilité dans le temps



Faible FEM thermique





Caractéristiques
Faible inductance

Grande précision
Ratio de puissance élevé


Faible résistance thermique interne

Mesure 4 fils

Faible résistance globale








Haute fiabilité
Bas coût

( influence faible ;    influence forte)
*processus de production
MESURES 833 - mars 2011 - www.mesures.com
En réponse à l’essor de nouveaux capteurs de courant magnétiques, Isabellenhütte poursuit l’ouverture de sa gamme de shunts à la mesure de courant de précision. Les shunts CMS de valeurs résistives
de 300 μΩ et plus connaissent une forte croissance dans des applications automobile où les courants peuvent dépasser 100 A.
est radicalement différente car la dissipation
de puissance développée dans le shunt
(P = R × I2) ne peut plus être négligée. Cette
dissipation peut être atténuée en réduisant
la résistance du composant, mais malheureusement la tension disponible à ses bornes
diminue proportionnellement (elle devient
donc très difficile à mesurer). Par conséquent, la limite basse de la valeur de résistance d’un shunt est imposée par la résolution et la qualité de l’électronique de mesure.
Pour compléter la loi d’Ohm, on considère
que la tension mesurée aux bornes du shunt
peut être déterminée grâce à l’équation suivante : U = R × I + Uth + Uind + Uiext +…,
où Uth représente la tension créée par la
force électromotrice thermique (FEM thermique), Uind est la tension induite et Uiext
la chute de tension possible dans les pistes
de cuivre du circuit imprimé, générée par le
passage du courant. Dans le cas d’un courant
faible et d’un shunt à valeur ohmique faible,
ces tensions parasites qui ne résultent pas du
courant principal peuvent fausser totalement
le résultat de mesure. Il est donc primordial
que le concepteur connaisse les origines de
chacune de ces tensions parasites, puis minimise leur influence par la qualité du routage et le choix des composants appropriés.
Des alliages résistifs de précision
Par définition, une résistance électrique peut
être réalisée avec n’importe quel matériau
conducteur. Néanmoins, la mesure de courant ne pourra se satisfaire d’un matériau
quelconque car elle dépend de paramètres
comme la température ambiante, la tension,
le temps ou encore la fréquence. Puisqu’il
n’existe pas de résistance de mesure “idéale”,
c’est-à-dire totalement indépendante de tous
ces paramètres, un shunt réel se définit par
un certain nombre de caractéristiques : coefficient de température, stabilité dans le
temps, ratio de puissance, inductance, linéarité, FEM thermique associée au cuivre (le
shunt est en contact avec le cuivre du circuit
imprimé). Certaines de ces caractéristiques
dépendent du matériau utilisé, d’autres sont
fonction de la conception du composant, et
d’autres encore sont liées au procédé de pro-
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duction utilisé pour fabriquer le shunt.
Les progrès réalisés ces dernières années en
électronique ont permis de réduire l’offset,
le coefficient de température et le bruit des
amplificateurs opérationnels utilisés dans les
systèmes de mesure de courant par shunt.
De plus, les recherches en génie des matériaux ont rendu possible la mise au point
d’alliages très peu résistifs. C’est le cas de
l’Isaohm® ou encore du Zeranin® (alliages
conçus par la société Isabellenhütte), qui ne
présentent que quelques dizaines de microohm par cm, et cela dans toutes les directions. Les shunts réalisés avec ce type d’alliages présentent donc une très faible valeur
ohmique, de l’ordre du milliohm. Ils éliminent pratiquement le problème majeur posé
par la dissipation de puissance en présence
de courants forts (P = R × I2). Revers de la
médaille : l’influence des tensions parasites
(Uth, Uind et Uiext) prend de plus en plus
d’importance. Ces dernières ayant
tendance à augmenter l’erreur relative de
mesure, il faut prêter une attention toujours
plus grande au coefficient de température, ➜
51
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de température de 10 K engendre une dérive de résistance de 4 %. On comprend
donc pourquoi il est impossible d’utiliser
un shunt à base de cuivre si l’on veut effectuer des mesures précises.
Reste à prévoir l’évacuation des calories.
La conductivité thermique d’un alliage à
faible résistivité est très inférieure à celle
d’autres métaux comme le cuivre ou
l’aluminium. De plus, la plupart des
shunts modernes utilisent de fines
feuilles de ces alliages, ce qui fait qu’il est
impossible d’utiliser l’alliage comme disL’alliage résistif de précision Manganin®, composé à 86 % de cuivre, à 12 % de manganèse et à
sipateur de chaleur. Pour évacuer les ca2 % de nickel, a été mis au point en 1889 par la société Isabellenhütte. La faible résistivité
lories, la feuille d’alliage doit être liée à
de cet alliage (43 μΩ par cm) a servi de base à la technologie de mesure de précision par
un substrat présentant de bonnes qualités
résistance depuis cette époque et jusqu’à aujourd’hui. Les autres alliages Isaohm® et Zeranin®
développés plus récemment ont parachevé la gamme avec des résistivités respectives
de conduction thermique (cuivre ou alude 132 μΩ/cm et 29 μΩ/cm dans toutes les directions. Ces trois alliages répondent parfaitement
minium, le plus souvent) grâce à une
aux contraintes physiques rencontrées dans l’industrie et ont été utilisés avec succès depuis
de nombreuses années par les fabricants de résistances de précision.
couche d’adhésif spécial. Cette solution
procure un très bon transfert thermique
➜ à la FEM thermique et à l’inductance du de l’alliage vers le substrat, puis vers le cirmatériau utilisé.
cuit imprimé via les joints de soudure. Ces
Le coefficient de température (CT) qualifie la modèles de shunts disposent d’une très
variation de résistance en fonction de la tem- faible résistance thermique interne Rth, de
pérature. Il s’exprime en ppm/K (parties par l’ordre de 10 à 30 K/W. En conséquence, ils
million/Kelvin) et se détermine grâce à peuvent être utilisés à pleine puissance
l’équation : CT = [R(T) - R(T0)]/ même à des températures très élevées car la
[R(T0) × (TTO)]. Le plus souvent, on retient température maximale de l’alliage résistif
une valeur de -20 °C ou de +25 °C comme reste basse, ce qui améliore considérabletempérature de référence T0. En appliquant ment la stabilité dans le temps et la variation
l’équation au cuivre, on obtient un CT de de valeur résistive.
4 000 ppm/K, ce qui signifie qu’une variation L’effet dit de “force électromotrice thermique” (FEM thermique)
Coefficients de température du cuivre et de l’alliage Manganin® se produit lorsque deux
matériaux conducteurs
1,00
différents sont mis en
0,75
contact. Il dépend de la
température à la jonction de ces matériaux.
Il peut agir comme une source d’erreur non
négligeable dans des mesures de courant par
shunt à faible résistance, lorsque la mesure
doit se faire sur de très faibles tensions.
Choisir un substrat adapté
Le constantan, alliage résistif bien connu des
universitaires et composé à 55 % de cuivre et
à 45 % de nickel, est encore très souvent utilisé pour réaliser des résistances bobinées ou
des shunts sur plan. Doté d’un bon coefficient thermique, il souffre néanmoins d’une
FEM thermique relative au cuivre extrêmement forte (environ 40 μV/K). Cela signifie
qu’un shunt composé de constantan et de
cuivre générera une tension parasite de
400 μV s’il est soumis à une dérive de température de seulement 10K, ce qui correspond à une erreur de mesure de 10 % (dans
l’hypothèse de la mesure d’un courant de 4 A
avec un shunt de 1 MΩ). La situation est encore pire si l’on prend en compte l’effet
Peltier qui, sous l’influence d’un courant
continu, peut créer une différence de température de plus de 20 K (dans des cas extrêmes,
cela va jusqu’au dessoudage d’un des côtés
du shunt). On observe alors une charge de
courant apparente même avec un flux de
courant constant, causé par l’apparition
d’une différence de température et son effet
sur la FEM thermique. Si le courant est coupé,
on mesure encore une charge de courant qui
diminue à mesure que le shunt refroidit. A la
différence du constantan, les alliages résistifs
de précision comme le Manganin®,
l’Isaohm® ou le Zeranin® sont parfaitement
Déviation, en %
0,50
Variation de la résistance globale en fonction de la température
et de la technique de connexion (4 fils ou 2 fils)
0,25
0,00
- 0,25
- 0,50
Manganin®
1,00
200 ppm/k
0,75
Cu, 4 000 ppm/k
0,50
- 1,00
- 40
- 20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Température, en degré Celcius
Le graphique montre l’influence de la température sur la résistivité de l’alliage Manganin®. Rappelons que
le coefficient de température (CT) s’exprime en ppm/K (parties par million/Kelvin) et se définit comme suit :
CT = [R(T) – R(T0)] / [R(T0) x (TT0)]. La valeur de -20 °C ou +25 °C est la plus souvent retenue comme
température de référence T0. Si la fonction R = f (T) est courbe, comme ici dans le cas du Manganin®, il est
alors indispensable de spécifier aussi la température haute considérée pour la valeur de CT, par exemple
CT (20 - 60). Certains shunts à couche épaisse avec des CT de plusieurs centaines de ppm/K sont également
fréquemment utilisés. La courbe rouge montre qu’avec un CT de seulement 200 ppm/K, un écart
de température de seulement 50 K suffit pour quitter la limite des 1 %. Une mesure de courant précise est
impossible avec ce type de composant, et plus encore si l’on considère que pour nombre de composants
CMS, la résistance thermique est de l’ordre de 100 K/W. Ainsi, une puissance de 1 W augmentera
la température de 100 K, et donc changera la valeur résistive de 2 % ! Cette situation est encore bien plus
dégradée dans le cas où, par mesure d’économie, la résistance est réalisée par une piste de cuivre
directement sur le circuit imprimé. Le CT du cuivre étant de 4 000 ppm/K (ou 0,4 %/K), une variation
de température de 10 K produit déjà une dérive de résistance de 4 % !
52
Déviation, en %
- 0,75
0,25
0,00
- 0,25
- 0,50
4 fils
2 fils, 2% Cu
- 0,75
- 1,00
- 40
- 20
0
20
40
60
80
100
120
140
Température, en degré Celcius
Une connexion à 4 fils revient à relier l’appareil de mesure directement sur l’alliage résistif du shunt.
Cette méthode diminue le coefficient de température (CT) du shunt, c’est-à-dire l’influence
de la température sur la résistivité du shunt. Dans le cas des shunts 2 fils, la courbe permet
de comprendre pourquoi la pratique (pourtant courante) d’indiquer uniquement le CT du matériau
résistif ne suffit pas et doit s’accompagner d’une phase de tests.
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délimitée par le shunt et ses
pistes de mesure sur le circuit
Eviter l’effet d’antenne
imprimé. La méthode de
conception idéale est celle où
L’utilisation de pistes de mesure droites
les deux pistes qui relient le
et parallèles (en noir sur le schéma) minimise
shunt à l’amplificateur sont
les tensions induites par les champs magnétiques
(croix bleues). La méthode de conception idéale
parallèles et proches l’une de
est celle où les deux pistes qui relient le shunt
l’autre (voire superposées
à l’amplificateur sont les plus proches possibles
dans le cas de circuits multi(voire superposées dans le cas de circuits
couches). Avec une concepmulticouches). Avec une conception maladroite
tion maladroite, l’effet d’an(lignes rouges), l’effet d’antenne est susceptible
tenne est susceptible de
de surpasser nettement la valeur d’inductance
surpasser plusieurs fois l’ininitiale du shunt (valeur directement utile
ductance initiale du shunt.
à la mesure du courant).
Avec un shunt à très faible valeur ohmique, il n’est plus
possible de négliger l’influence des pistes de connexion du circuit imprimé sur la
valeur résistive globale du
composant. Une piste de circuit imprimé d’une dimension
de 4 mm × 0,2 mm × 35 μm
représente à elle seule une résistance de 10 MΩ. Une valeur
adaptés thermoélectriquement au “monde proche de la résistivité nominale du shunt,
du cuivre”, rendant ainsi ces effets totalement ce qui implique que cette simple piste de
négligeables. A titre d’exemple : avec ces al- cuivre insérée dans le circuit de mesure sufliages, un shunt de 0,3 MΩ traversé par un firait à fausser la mesure de 100 %. Et même
courant de 300 A ne conserve qu’une tension si cette résistance supplémentaire peut être
de moins d’1 μV (correspondant à courant éliminée par calibration, elle peut sévèrement
détériorer le coefficient de température glode 3 mA) une fois le courant coupé.
On notera également que ces alliages de pré- bal du shunt. Dans l’idéal, la mesure de tencision présentent, de par l’homogénéité de sion doit donc être effectuée via deux termileur structure cristalline et grâce à un traite- naisons additionnelles connectées
ment thermique spécial, une grande stabilité directement sur le matériau résistif. On parle
dans le temps. Insensibles à la corrosion, ils alors de connexion à 4 fils, par opposition à
atteignent des valeurs de stabilité thermody- une connexion classique à 2 fils.
namique de l’ordre du ppm par an, ce qui Quoi qu’il en soit, la connexion directe des
est tout à fait suffisant pour une utilisation alliages résistifs sur du cuivre se révèle souvent difficile en raison des fortes disparités
embarquée à bord d’un véhicule.
dans les résistances de contact et donc du
Une faible inductance
mauvais “mouillage” (terme relatif à la souAvec la croissance des courants issus de tech- dabilité) du matériau résistif. C’est pourquoi
nologies à découpage, l’inductance du cap- les shunts les plus récents sont réalisés par
teur de courant devient un facteur prépon- découpe de bandes cuivre-Manganin®dérant pour la qualité du contrôle ou de la cuivre soudées par faisceaux d’électrons. La
mesure. Pour réduire au maximum l’induc- résistance de contact est ici proche de zéro
tance parasite, on s’efforcera de choisir des car les terminaisons sont obtenues en faisant
alliages résistifs diamagnétiques (un maté- dépasser le cuivre brut, ce qui fait que la
riau diamagnétique est un matériau qui est résistance globale est très proche de la valeur
repoussé par un champ magnétique au lieu du shunt 4 fils. Pour relier son électronique
d’être attiré). Quoi qu’il en soit, le couple de mesure, l’utilisateur pourra alors utiliser
shunt/pistes de mesure constitue une struc- une des nombreuses techniques connues et
ture en antenne. Celle-ci capte les variations éprouvées de connexion cuivre sur cuivre.
Dr Ulrich Hetzler,
électromagnétiques générées par les flux de
directeur R&D chez Isabellenhütte,
courant et autres champs magnétiques exPhilippe Devarieux,
ternes, et les transforme en tension interféresponsable des ventes chez Technicome.com
rentielle induite. Il est donc très important
et Frédéric Parisot
de minimiser autant que possible l’aire
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