Bien choisir sa résistance pour la mesure de courant

MESURES 833 - MARS 2011 - www.mesures.com
50
S olutions
MESURES 833 - MARS 2011 - www.mesures.com 51
S olutions
MESURE élEctRiqUE
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.
La détection et la mesure de courant
prennent chaque jour une place
plus importante dans l’industrie
électronique. Cela est particulière-
ment vrai dans le secteur de l’électronique
automobile, où la multiplication des com-
posants 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 do-
maine de prédilection.
Les principaux avantages des capteurs magné-
tiques (transformateurs de courant, capteurs
à effet Hall ou à sonde
magnétique, etc.) sont
leur isolation élec-
trique élevée et leur
faible dissipation ther-
mique. C’est la raison
pour laquelle cette
technologie est utilisée
pour les variateurs de
vitesse ou les courants
de très forte intensité.
Ils présentent néan-
moins des inconvé-
nients, parmi lesquels
un encombrement im-
portant, ainsi qu’une
valeur d’offset élevée et
une linéarité limitée.
Le shunt est, quant à
lui, une technologie
beaucoup plus an-
cienne. Il n’empêche,
grâce aux progrès réa-
lisés en matière d’am-
plificateurs opération-
nels ou de systèmes
d’acquisition de données, on peut les retrou-
ver dans des domaines où personne ne les
aurait imaginés il y a encore dix ans. L’arrivée
de résistances shunt à très faible valeur oh-
mique, de même que la demande en com-
posants 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 vé-
hicule, 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 pro-
portionnelle à l’intensité du courant élec-
trique. La mesure ne pose aucun problème
avec des valeurs de résistance de plus d’un
ohm et pour des courants de plusieurs cen-
taines de milliampères. Mais dès lors que les
courants dépassent 10 ou 20 A, la situation
P Le shunt bénéficie
d’une place de choix dans
le domaine de la mesure
de courant, et les derniers
développements
garantissent son utilisation
pour les années à venir.
P Les industriels de l’automo-
bile disposent désormais de
shunts adaptés aux courants
forts et aux écarts impor-
tants de température.
P Pour choisir le shunt
le plus adapté à son appli-
cation, l’utilisateur doit
néanmoins prendre
en compte plusieurs
caractéristiques telles que
le coefficient thermique,
l’inductance liée à la forme
du shunt ou encore
le mode de connexion
de l’électronique de mesure.
L’essentiel
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 malheu-
reusement la tension disponible à ses bornes
diminue proportionnellement (elle devient
donc très difficile à mesurer). Par consé-
quent, la limite basse de la valeur de résis-
tance d’un shunt est imposée par la résolu-
tion 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 sui-
vante : U = R × I + Uth + Uind + Uiext +…,
où Uth représente la tension créée par la
force électromotrice thermique (FEM ther-
mique), 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 mi-
nimise leur influence par la qualité du rou-
tage 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 cou-
rant 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 : coef-
ficient de température, stabilité dans le
temps, ratio de puissance, inductance, linéa-
rité, 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-
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 maté-
riaux 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 micro-
ohm par cm, et cela dans toutes les direc-
tions. Les shunts réalisés avec ce type d’al-
liages présentent donc une très faible valeur
ohmique, de l’ordre du milliohm. Ils élimi-
nent 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,
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.
➜
Influences sur les caractéristiques d’un shunt
Caractéristiques Matériaux Design Processus*
Faible coefficient de température
Très bonne stabilité dans le temps
Faible FEM thermique
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 53
S olutions
MESURES 833 - MARS 2011 - www.mesures.com
52 53
S olutions
à la FEM thermique et à l’inductance du
matériau utilisé.
Le coefficient de température (CT) qualifie la
variation de résistance en fonction de la tem-
pérature. Il s’exprime en ppm/K (parties par
million/Kelvin) et se détermine grâce à
l’équation : CT = [R(T) - R(T0)]/
[R(T0) × (TTO)]. Le plus souvent, on retient
une valeur de -20 °C ou de +25 °C comme
température de référence T0. En appliquant
l’équation au cuivre, on obtient un CT de
4 000 ppm/K, ce qui signifie qu’une variation
de température de 10 K engendre une dé-
rive de résistance de 4 %. On comprend
donc pourquoi il est impossible d’utiliser
un shunt à base de cuivre si l’on veut ef-
fectuer 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 dis-
sipateur de chaleur. Pour évacuer les ca-
lories, la feuille d’alliage doit être liée à
un substrat présentant de bonnes qualités
de conduction thermique (cuivre ou alu-
minium, le plus souvent) grâce à une
couche d’adhésif spécial. Cette solution
procure un très bon transfert thermique
de l’alliage vers le substrat, puis vers le cir-
cuit imprimé via les joints de soudure. Ces
modèles de shunts disposent d’une très
faible résistance thermique interne Rth, de
l’ordre de 10 à 30 K/W. En conséquence, ils
peuvent être utilisés à pleine puissance
même à des températures très élevées car la
température maximale de l’alliage résistif
reste basse, ce qui améliore considérable-
ment la stabilité dans le temps et la variation
de valeur résistive.
L’effet dit de “force électromotrice ther-
mique” (FEM thermique)
se produit lorsque deux
matériaux conducteurs
différents sont mis en
contact. Il dépend de la
adaptés thermoélectriquement au “monde
du cuivre”, rendant ainsi ces effets totalement
négligeables. A titre d’exemple : avec ces al-
liages, un shunt de 0,3 MΩ traversé par un
courant de 300 A ne conserve qu’une tension
de moins d’1 µV (correspondant à courant
de 3 mA) une fois le courant coupé.
On notera également que ces alliages de pré-
cision présentent, de par l’homogénéité de
leur structure cristalline et grâce à un traite-
ment thermique spécial, une grande stabilité
dans le temps. Insensibles à la corrosion, ils
atteignent des valeurs de stabilité thermody-
namique de l’ordre du ppm par an, ce qui
est tout à fait suffisant pour une utilisation
embarquée à bord d’un véhicule.
Une faible inductance
Avec la croissance des courants issus de tech-
nologies à découpage, l’inductance du cap-
teur de courant devient un facteur prépon-
dérant pour la qualité du contrôle ou de la
mesure. Pour réduire au maximum l’induc-
tance parasite, on s’efforcera de choisir des
alliages résistifs diamagnétiques (un maté-
riau diamagnétique est un matériau qui est
repoussé par un champ magnétique au lieu
d’être attiré). Quoi qu’il en soit, le couple
shunt/pistes de mesure constitue une struc-
ture en antenne. Celle-ci capte les variations
électromagnétiques générées par les flux de
courant et autres champs magnétiques ex-
ternes, et les transforme en tension interfé-
rentielle induite. Il est donc très important
de minimiser autant que possible l’aire
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 uti-
lisé pour réaliser des résistances bobinées ou
des shunts sur plan. Doté d’un bon coeffi-
cient thermique, il souffre néanmoins d’une
FEM thermique relative au cuivre extrême-
ment 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 tem-
pérature de seulement 10K, ce qui corres-
pond 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 en-
core pire si l’on prend en compte l’effet
Peltier qui, sous l’influence d’un courant
continu, peut créer une différence de tempé-
rature 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
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.
Variation de la résistance globale en fonction de la température
et de la technique de connexion (4 fils ou 2 fils)
délimitée par le shunt et ses
pistes de mesure sur le circuit
imprimé. La méthode de
conception idéale est celle où
les deux pistes qui relient le
shunt à l’amplificateur sont
parallèles et proches l’une de
l’autre (voire superposées
dans le cas de circuits multi-
couches). Avec une concep-
tion maladroite, l’effet d’an-
tenne est susceptible de
surpasser plusieurs fois l’in-
ductance initiale du shunt.
Avec un shunt à très faible va-
leur ohmique, il n’est plus
possible de négliger l’in-
fluence des pistes de conne-
xion du circuit imprimé sur la
valeur résistive globale du
composant. Une piste de cir-
cuit imprimé d’une dimension
de 4 mm × 0,2 mm × 35 µm
représente à elle seule une ré-
sistance de 10 MΩ. Une valeur
proche de la résistivité nominale du shunt,
ce qui implique que cette simple piste de
cuivre insérée dans le circuit de mesure suf-
firait à fausser la mesure de 100 %. Et même
si cette résistance supplémentaire peut être
éliminée par calibration, elle peut sévèrement
détériorer le coefficient de température glo-
bal du shunt. Dans l’idéal, la mesure de ten-
sion doit donc être effectuée via deux termi-
naisons additionnelles connectées
directement sur le matériau résistif. On parle
alors de connexion à 4 fils, par opposition à
une connexion classique à 2 fils.
Quoi qu’il en soit, la connexion directe des
alliages résistifs sur du cuivre se révèle sou-
vent difficile en raison des fortes disparités
dans les résistances de contact et donc du
mauvais “mouillage” (terme relatif à la sou-
dabilité) du matériau résistif. C’est pourquoi
les shunts les plus récents sont réalisés par
découpe de bandes cuivre-Manganin®-
cuivre soudées par faisceaux d’électrons. La
résistance de contact est ici proche de zéro
car les terminaisons sont obtenues en faisant
dépasser le cuivre brut, ce qui fait que la
résistance globale est très proche de la valeur
du shunt 4 fils. Pour relier son électronique
de mesure, l’utilisateur pourra alors utiliser
une des nombreuses techniques connues et
éprouvées de connexion cuivre sur cuivre.
Dr Ulrich Hetzler,
directeur R&D chez Isabellenhütte,
Philippe Devarieux,
responsable des ventes chez Technicome.com
et Frédéric Parisot
L’alliage résistif de précision Manganin®, composé à 86 % de cuivre, à 12 % de manganèse et à
2 % de nickel, a été mis au point en 1889 par la société Isabellenhütte. La faible résistivité
de cet alliage (43 μΩ par cm) a servi de base à la technologie de mesure de précision par
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 132 μΩ/cm et 29 μΩ/cm dans toutes les directions. Ces trois alliages répondent parfaitement
aux contraintes physiques rencontrées dans l’industrie et ont été utilisés avec succès depuis
de nombreuses années par les fabricants de résistances de précision.
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 % !
Coefficients de température du cuivre et de l’alliage Manganin®
➜
L’utilisation de pistes de mesure droites
et parallèles (en noir sur le schéma) minimise
les tensions induites par les champs magnétiques
(croix bleues). La méthode de conception idéale
est celle où les deux pistes qui relient le shunt
à l’amplificateur sont les plus proches possibles
(voire superposées dans le cas de circuits
multicouches). Avec une conception maladroite
(lignes rouges), l’effet d’antenne est susceptible
de surpasser nettement la valeur d’inductance
initiale du shunt (valeur directement utile
à la mesure du courant).
Eviter l’effet d’antenne
4 fils 2 fils, 2% Cu
Température, en degré Celcius
Déviation, en %
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
- 0,50
- 0,25
- 0,75
- 1,00
- 40 - 20 0 20 40 60 80 100 120 140
Manganin®
200 ppm/k
Cu, 4 000 ppm/k
Température, en degré Celcius
Déviation, en %
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
- 0,50
- 0,25
- 0,75
- 1,00
- 40 - 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180