Capteurs de courant: à chacun son argument!

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MESURES ÉLECTRIQUES
Capteurs de
courant : à chacun
son argument!
▼
Il est aujourd’hui possible de mesurer le courant électrique au moyen d’une quinzaine de conceptions ou technologies différentes, avec isolation galvanique ou
non. Dans la plupart des cas, on fait appel à des technologies à isolement galvanique, qui mesurent indirectement le courant en détectant le champ magnétique
qui lui est associé.
Nous vous présentons ici les différentes technologies de mesure utilisées, avec
leurs avantages et inconvénients respectifs.
I
l est aujourd’hui possible de
mesurer le courant électrique au
moyen d’une quinzaine de principes ou technologies différents,
qui doivent être choisis en fonction
des besoins spécifiques de l’application : valeur crête ou valeur efficace,
précision ou bande passante demandées, contraintes environnementales à
supporter, sans oublier, bien sûr, le
prix. Ces capteurs de courant peuvent
être répartis en six catégories différentes :
- capteurs CA, limités aux mesures de
courants alternatifs, comprenant les
transformateurs de courant traditionnels,
les capteurs sans circuit magnétique
basés sur une bobine de Rogowski ou
une technologie de capteur sur circuit
imprimé, développée récemment,
- capteurs de courant à effet Hall, avec les
variantes technologiques dites “à boucle
ouverte”, “à boucle fermée” et “ETA”
- capteurs de courant de type “Fluxgate”,qui se
déclinent en six grandes variantes,chacune ayant
ses propres caractéristiques
-capteurs utilisant d’autres technologies de détection de champ magnétique (les magnétorésistances par exemple)
- les shunts
MESURES 763 - MARS 2004
- les capteurs faisant appel aux technologies MEMS (Micro ElectroMechanical Systems, systèmes électromécaniques)
1 - Les capteurs de champ
magnétique
La mesure isolée d’un courant électrique est dans
la plupart des cas effectuée avec un capteur inductif, qui détecte le champ créé par le courant à
mesurer.Il existe plusieurs techniques de mesure basées sur ce principe :
- la cellule Hall : solution classique, disponible
dans plusieurs variantes (GaAs,InSb ou silicium),
- la magnéto impédance
- la résistance magnétique (MR) : anisotropique (AMR), géante (GMR), tunnel (TMR),
colossale (CMR)
- la technique Fluxgate (“porte de flux”),
qui exploite l’effet de saturation de matériaux magnétiques sensibles
- la technique magnéto-optique
- la résonance magnétique nucléaire (NMR),qui
convertit l’induction magnétique en fréquence
- la magnétostriction et l’effet piézoélectrique : le courant mesuré crée un champ
modifiant la taille d’un élément magnétostrictif. Ce dernier exerce une force sur un
élément piézoélectrique qui produit alors
une tension de sortie
- technologies diverses : effet
Meissner paramagnétique, effet Hall
quantum (à l’état supraconducteur, ce qui nécessite un
refroidissement), effet Zeemann, SQUIDs (à l’état supraconducteur), bobines mobiles permettant de
convertir un flux continu en un signal alternatif.
Le développement de ces technologies de
détection de champ est généralement focalisé sur les performances attendues dans les
marchés à fort potentiel de vente, à savoir la
mesure de position en général et la lecture/écriture des têtes de lecture des disques
durs. En raison de sa taille marginale, le marché de la mesure du courant ne présente qu’un
intérêt limité pour les fabricants de ces capteurs
L’essentiel
inductifs, de sorte que les
produits proposés sur le Une quinzaine de types de
capteurs de courant se dismarché sont souvent
putent le marché
inadaptés pour réaliser des En terme de performances,
applications de mesure.
elles se distinguent par le
type de courant mesuré
Parmi tous les principes
(continu ou alternatif), la
de détection inductifs
bande passante et la préciconnus, seuls l’effet Hall,
sion
le Fluxgate, les AMR et L’encombrement et le prix
GMR sont actuellement
sont aussi des critères de
décision
utilisés dans des capteurs
De nouvelles technologies,
de courant fabriqués en
miniaturisées, arrivent.
grandes séries.Des travaux
Mais pour des raisons de
très spécifiques, souvent
coût de production, il faudans le cas de la recherche
dra qu’elles accèdent à des
applications de masse pour
avancée,ont toutefois pertrouver des débouchés
mis l’émergence d’autres
dans les mesures de coutechnologies. Les TMR,
rant (comme ce fut le cas
CMR, NMR et les autres
pour les cellules de Hall)
effets mentionnés en sont
49
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soit au stade de la pré-étude (au niveau des
universités,) soit ils sont utilisés dans les cas
où l’on n’a besoin que d’une information
binaire,soit ils sont utilisés dans des applications
pointues de laboratoire, à cause de leur prix
élevé (NMR, effet Hall quantum, SQUID).
Les capteurs de courant basés sur des effets
magnéto optiques (comme par exemple,l’effet Faraday) ont été développés pour des applications à courants élevés (10-100 kA) et ils
présentent de bonnes performances pour les
mesures de courants alternatifs. Pour envisager de les utiliser pour les mesures de courant
alternatif, il faudra surmonter le problème des
dérives du zéro en fonction du temps et de la
température. Des travaux sont actuellement en
cours dans diverses industries et universités.
L’avantage majeur de la résonance magnétique nucléaire NRM est le fait que le signal
de mesure est indépendant de la température.
Mais elle a des inconvénients : fréquence nulle à champ nul, impossibilité de détecter la
polarité du champ et nécessité d’une imagerie
par résonance magnétique (MRI) pour l’intégration sur un volume.
Les capteurs GMI et Fluxgate requièrent des
composants électroniques pour fournir un
signal de sortie. Les faibles valeurs de dérive
du Fluxgate s’expliquent par le fait que ces capteurs intègrent un principe de compensation
(boucle fermée locale) :les harmoniques paires
d’un signal de détection sont maintenues
proche de zéro en ajustant le champ d’une
bobine de compensation intégrée.
En terme de complexité, la différence entre un
élément GMI et un Fluxgate miniature n’est
pas significative. Dans les deux cas, il faut placer au moins une bobine autour d’une petite
pièce ferromagnétique de façon à pouvoir
détecter la polarité du champ magnétique.
Le risque de destruction par un champ extérieur élevé constitue un handicap certain pour
les capteurs AMR. Cet inconvénient peut être
atténué en appliquant sur la cellule, au moyen
d’une bobine auxiliaire, un champ perpendiculaire au champ à mesurer. En appliquant un
courant alternatif dans la bobine, le capteur
AMR est remis à zéro à chaque cycle de commutation.
2 -Les technologies à effet Hall
Il existe trois technologies exploitant l’effet Hall
pour la mesure du courant alternatif et continu.
Capteurs à effet Hall en boucle ouverte. Les
capteurs boucle ouverte à effet Hall disposent
d’un élément de détection Hall placé dans l’entrefer. La conception est telle que l’induction
magnétique détectée par la cellule Hall est théoriquement proportionnelle au courant primaire
à mesurer. Les imprécisions sur la mesure sont
principalement dues à la non-linéarité magnétique et électronique ainsi qu’aux décalages
créés par la cellule Hall, aux composants électroniques de traitement et enfin à l’hystérésis
du circuit magnétique.L’utilisation d’un circuit
magnétique offre plusieurs avantages,à savoir la
concentration du champ sur la cellule Hall,
l’amplification de l’amplitude du champ et la
protection contre les perturbations magnétiques
externes.
Les capteurs à effet Hall en boucle ouverte sont
capables de mesurer des formes d’onde de
courants continus,alternatifs et complexes tout
en assurant une isolation galvanique. Ils se distinguent par leur faible consommation d’énergie, un poids et une taille réduits et ils sont
particulièrement intéressants pour les courants
élevés. Ils n’introduisent pas de pertes d’insertion dans le circuit à mesurer, ce qui ne les
empêche pas de bien résister aux surcharges
de courant. Ils sont bon marché et sont bien
adaptés aux diverses applications industrielles.
Les capteurs à effet Hall en boucle ouverte présentent par contre l’inconvénient d’avoir une
bande passante et un temps de réponse relativement modestes et d’une précision de mesure qui varie beaucoup avec la température.Dans
certaines applications spécifiques, les pertes de
Comparaison entre les capteurs basés
sur la détection de champ magnétique
Si
Sensibilité
Décalage
Dérive du décalage
Dérive de la sensibilité
0,06 µΩm
800 A/m typ.
0,6 A/m/K typ
0,035 %/K
Hall
GaAs
0,29 µΩm
13 600 A/m max
19 A/m/K max
-0,05 %/K
courant de Foucault à haute fréquence risquent
également d’être un facteur restrictif.
Les courants nominaux vont de plusieurs
ampères à 10 kA, exceptionnellement au-delà
de 30 kA. La technologie accepte des impulsions de courant de courte durée nettement
supérieures à la valeur mesurable maximale
(5 à 10 fois par exemple).Mais cela peut néanmoins créer un grand décalage magnétique,
ce qui se traduit par une erreur de mesure additionnelle permanente qui doit être annihilée
par une procédure de désaimantation dédiée.
Variantes de montage
de capteurs à effet Hall
On voit ici les trois grandes variantes de
montage des capteurs à effet Hall. Dans
tous les cas, le circuit magnétique sert à
concentrer sur la cellule Hall le champ
magnétique créé par le courant traversant
le conducteur.
Les montages en boucle fermée et ETA ont
un circuit de compensation qui permet
d’améliorer les performances.
Capteur en boucle ouverte
Circuit magnétique
Cellule
Hall
Courant
à mesurer
Capteur en boucle fermée
Capteur ETA
A résistance
magnétique
GMI
Fluxgate
InSb
4 µΩm
1 760 A/m max
32 A/m/K max
-1,8 %/K
16 µΩm
94 A/m
0,375 A/m/K
-0,4 %/K
1 250 µΩm
NC
NC
NC
25 000 µΩm
0,08 A/m
0,8 x 10–6 A/m/K
0,0002 %/K
Pour la sensibilité,l’unité µV/(A/m) choisie correspond au rapport entre le signal de sortie de l’élément de mesure du champ (µV) et le champ magnétique
mesuré (A/m):elle correspond donc à des µΩm.Les valeurs des sensibilités sont indiquées sur la base d’une alimentation des capteurs par une tension de 1V,ce
qui permet de réaliser des comparaisons crédibles.
50
MESURES 763 - MARS 2004
Solutions
La précision globale est de quelques pour-cent,
une valeur plutôt modeste qui s’explique par
le décalage du zéro pour les mesures de courant continu, les décalages de la cellule Hall et
des composants électroniques de traitement,
le décalage magnétique en courant continu,
l’erreur de gain et de linéarité, l’atténuation de
l’amplitude et le déphasage lorsque la limite
de la bande passante est atteinte ,et enfin le
bruit. Des erreurs supplémentaires apparaissent avec les variations de température,notamment les variations de gain et de dérive du zéro.
Capteur à effet Hall en boucle fermée. Comparativement aux capteurs en boucle ouverte,
les capteurs à effet Hall en boucle fermée ont
un circuit de compensation intégré, qui optimise les performances. La cellule Hall des capteurs en boucle fermée est utilisée comme
signal de contre-réaction, régulant le courant
IS de la bobine secondaire de manière à ce que
le champ magnétique dans l’entrefer soit égal
à zéro. L’enroulement secondaire comprend
plus de tours (NS) que l’enroulement primaire (NP). Pour une induction nulle dans l’entrefer, les ampères-tours dans les deux bobines
sont identiques et par conséquent le rapport
de proportionnalité entre les courants secondaires IS et primaires IP est donné par le rapport des nombres de spires : IS = IP Np/NS.
La fréquence de mesure maximale est généralement comprise entre 2 et 10 kHz.Cette gamme relativement réduite est due à la bande passante limitée des composants électroniques et
à la faible dynamique de tension qui permet
de générer le courant Is dans la bobine secondaire.La limitation de la bande passante du cap-
teur peut être contournée en utilisant la bobine secondaire comme transformateur de courant standard, convertissant le courant alternatif primaire en courant secondaire.
Les capteurs à effet Hall en boucle fermée sont
capables de mesurer des formes d’onde de
courants continus,alternatifs et complexes tout
en assurant une isolation galvanique. Ils se distinguent par d’excellentes précisions et linéarité,une faible dérive de température,un temps
de réponse rapide, une bande passante élevée,
aucune perte d’insertion dans le circuit primaire et une sortie de courant très résistante
aux interférences électromagnétiques.
Les principaux inconvénients de la technologie boucle fermée sont la puissance relativement élevée de l’alimentation secondaire, de
plus grandes dimensions (spécialement pour
les courants élevés) et un coût évidemment
supérieur à celui d’un capteur à boucle ouverte (de conception plus simple).
Les courants nominaux vont de quelques
ampères à plus de 20 kA, certains modèles
allant même jusqu’à 500 kA. Pour un modèle donné, le courant maximum mesurable est
par conception limité par le niveau de saturation de l’électronique de commande,en général uniquement aux fréquences basses.
Les capteurs de courant boucle fermée disposent d’une excellente linéarité sur une vaste
plage de mesures avec une précision totale restant généralement inférieure à 1 %. Les facteurs affectant la précision sont les mêmes que
pour les capteurs en boucle ouverte mais leur
importance est bien moindre en raison du
principe à flux nul (réduction des décalages,
plus de non-linéarité magnétique, gain moins
dépendant de la température).Aux fréquences
élevées, la performance de la mesure est déterminée par la performance du transformateur
de courant.
Les capteurs en boucle fermée peuvent toujours être sensibles aux décalages magnétiques
qui subsistent en cas d’utilisation dans des
conditions anormales (courant primaire à basse fréquence excédant significativement la
valeur maximale spécifiée). La bande passante est en général excellente,dépassant 100 kHz
dans la plupart des cas. Elle peut parfois
atteindre plus de 300 kHz.Les temps de réponse sont tels que l’on peut mesurer des variations de courant (di/dt) atteignant plusieurs
centaines de A/µs.
Les capteurs à effet Hall de type ETA. La
conception des capteurs ETA à effet Hall ressemble à celle des capteurs boucle fermée,avec
le même agencement du circuit magnétique,
de la cellule Hall et de l’enroulement secondaire. Les différences résident dans la conception du circuit magnétique et la façon dont les
signaux sont traités par l’électronique de sortie. En fait, les capteurs ETA à effet Hall combinent les caractéristiques des technologies
boucle ouverte et boucle fermée. Aux faibles
fréquences (généralement entre 2 et 10 kHz),
ils fonctionnent comme des capteurs en boucle
ouverte, la cellule Hall fournissant un signal
proportionnel au courant primaire à mesurer.
Aux fréquences élevées, ils fonctionnent comme un simple transformateur de courant. Les
signaux du transformateur et de la cellule Hall
sont électroniquement ajoutés, pour former
Comparaison des différents types de capteurs de courant
Technologies à effet Hall
Boucle
fermée
Type ETA
Boucle
ouverte
Technologies Fluxgate
Technologies sans
Type IT
à trois noyaux
magnétiques
Type C
A deux noyaux Type
à deux noyaux magnétiques standard
magnétiques sans transfo
circuit magnétique
LEM-Flex
PRiME
Plage de mesure
Bande passante
Temps de réponse
(@ 90 %)
Précision
typique
Linéarité
0-15 000 A
0-200 kHz
< 1 ms
25-150 A
0-100 kHz
< 1 ms
0-15 000 A
0-25 kHz
< 3 – 7 ms
0-600 A
0-100 kHz
< 1 ms
0-150 A
0-500 kHz
0.4 ms
0-400 A
0-100 Hz
5 ms
0-500 A
0-200 kHz
< 1 ms
0-10 000 A
10 Hz-100 kHz
10-50 ms
0-10 000 A
100 kHz
2-50 ms
± 0.5 %
± 1.5 % (CC)
± 1,5 %
± 0,0002 %
± 0,1 %
± 0,1 %
± 0,2 %
±1%
± 0,5 %
± 0.1 %
± 0.5 %
± 0.0001 %
± 0.05 %
± 0.1 %
± 0.1 %
± 0.2 %
± 0.2 %
Points
remarquables
- Précision
- Vitesse
± 0.5 % (CC)
± 0.1 % (CA)
- Vitesse
- Faible
consommation
- Basse tension(5 V)
- Faible
consommation
- Petite taille
- Bas prix
- Très grande
résolution
- Très grande
précision
- Vitesse
- Grande résolution
- Grande précision
- Top vitesse
- Résolution
- Précision
- Basse
fréquence
- Bas prix
- Résolution
- Précision
- Vitesse
- Précision
- Bande passante
- Faible masse
- CA
- Précision
- Bande passante
- Faible masse
- CA
MESURES 763 - MARS 2004
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Solutions
Constitution d’un capteur Fluxgate standard
Capteur Fluxgate standard
Self saturable
Le schéma de principe est assez proche de celui des capteurs à effet Hall en boucle fermée. Mais
ici, le champ dans l’entrefer est mesuré à l’aide d’une self saturable au lieu d’une cellule à effet
Hall. On mesure les variations de changement de la valeur de l’inductance de la self.
Réponse du courant à une augmentation de la tension
Comportement du courant dans la self
saturable dans le cas simple d’une soudaine
augmentation de la tension à ses bornes
(échelon unité) :
la courbe “inductance constante” montre
la réponse classique du courant, de forme
exponentielle
la courbe “Bext = I1 = 0” correspond à un
courant primaire du capteur nul, ne créant
aucun champ dans l’entrefer et donc aucun champ externe sur l’élément saturable (Bext = 0). La
réponse du courant ISi dans l’élément saturable comprend trois sections bien distinctes. Pour les
faibles valeurs du courant ISI (zone 1), la variation du courant est lente puisque l’élément saturable a
été conçu pour avoir une inductance élevée à faible niveau de saturation. Lorsque le courant dépasse
un certain niveau (zone 2), le niveau de saturation de l’inductance est atteint et la valeur de cette dernière chute, conduisant à une forte variation du courant. Cette chute d’inductance, soudaine et marquée, est obtenue par conception de l’élément saturable. Dans la zone 3 enfin, le courant atteint le
niveau asymptotique fixé par la tension du courant disponible (U/R) ;
la courbe “I1≠ 0”. Lorsque le courant primaire n’est pas égal à zéro, un champ externe est appliqué à la bobine inductrice saturable et la réponse du courant est modifiée.
Réponse du courant à l’application d’un signal carré
pour un courant primaire I1 nul
pour un courant primaire I1 non nul
52
La bobine de l’élément saturable est
alimentée par une tension carrée u(t),
ce qui se traduit par un courant Isi(t)
alternatif. En mesurant les différences
d’allure de ce courant, on peut en
déduire la valeur du courant primaire
I1. Il existe plusieurs méthodes pour
détecter ces différences : mesure de la
composante continue du courant de
l’élément saturable ISI, analyse spectrale du courant ISI et mesure de l’amplitude d’une harmonique remarquable
(généralement celle de rang 2 ou 3) et
enfin mesure du rapport cyclique de la
tension u(t). Le paramètre détecté est
ensuite utilisé comme signal de retour
pour la boucle fermée.
un signal commun de sortie.
Les capteurs ETA sont capables de mesurer des
formes d’onde de courant continue, alternative
et complexe, tout en assurant une isolation galvanique. L’ETA est recommandé lorsque l’on
recherche une bande passante élevée,un temps
de réponse rapide, une faible consommation
d’énergie (en raison de la bobine secondaire qui
n’est jamais activement sous tension) et une tension d’alimentation à faible tension du secondaire (par exemple, +5 V). Au-dessus de 210 kHz,la précision et les dérives de température
sont bonnes (semblables à celles obtenues en
boucle fermée). Les capteurs ETA ne créent pas
de pertes d’insertion dans le circuit à mesurer et
résistent parfaitement aux surcharges de courant.
L’inconvénient majeur se situe dans la taille et le
poids du circuit magnétique,dus au fait qu’il faut
avoir à la fois une bobine secondaire encombrante (comme pour les capteurs boucle fermée) et
un noyau magnétique de forte section (comme
pour les capteurs boucle ouverte).Aux basses fréquences, la précision de mesure de la technologie ETA est plus sensible aux variations de températures (comme pour les capteurs boucle ouverte).
Le coût d’un produit ETA est supérieur à celui des
modèles plus simples en boucle ouverte et proche
de celui des solutions en boucle fermée.
Les courants nominaux sont généralement compris entre 25 A et 150 A. Cette plage de travail,
particulièrement étroite,n’est pas limitée par des
aspects technologiques mais plutôt par des facteurs de coût et de marché : pour les courants
inférieurs à 25A,il est possible de travailler dans
des conditions semblables avec la technologie
boucle fermée,plus performante,alors que pour
des courants supérieurs à 150A une tension d’alimentation secondaire plus élevée (par exemple
±15 V) est généralement disponible, ce qui
conduit à privilégier la technologie en boucle fermée, mieux adaptée. En effet, la faible consommation du secondaire obtenue avec la technologie ETA ne présente en général pas un grand
intérêt lorsque l’on mesure des courants élevés.
La précision des capteurs ETA dépend de la fréquence.Pour des basses fréquences (typiquement
de 2 à 10kHz),la précision globale est de quelques
pour-cents, comme pour les modèles en boucle
ouverte.Pour les fréquences supérieures,la précision globale est généralement inférieure à 1 %.
Après une surcharge de courant excédant les
valeurs spécifiées, le risque d’avoir un décalage résiduel dû à une rémanence du circuit
magnétique est à basse fréquence le même que
pour les capteurs en boucle ouverte.
La bande passante, le temps de réponse et le
comportement di/dt des capteurs ETA sont très
proches de ceux de la technologie en boucle
fermée,avec néanmoins une petite réduction de
performance.La limite supérieure en fréquenMESURES 763 - MARS 2004
Solutions
ce est généralement de 100 kHz. Le temps de
réaction est rapide, inférieur à 1 µs.
La technologie Fluxgate (“porte de flux”) peut
être déployée de différentes manières, en utilisant toujours sur le même principe mais donnant des performances diverses suivant la complexité de la conception.
Principales configurations de capteurs Fluxgate
3-Les technologies fluxgate
Le capteur Fluxgate “standard”. Un capteur
Fluxgate isolé peut être conçu comme un capteur
à cellule Hall en boucle fermée, avec le même
agencement du circuit magnétique,comprenant
un entrefer et un enroulement secondaire.C’est
au niveau de la détection du champ dans l’entrefer que réside la principale différence entre les
deux technologies :dans le cas du Fluxgate,elle
est réalisée au moyen d’un élément saturable et
non d’une cellule Hall, ce qui implique d’importantes modifications au niveau de l’électronique de contrôle,tant au niveau de l’alimentation que du traitement du signal de sortie.
L’“inducteur saturable”, qui est au cœur de cette technologie, est composé d’un petit noyau
magnétique mince sur lequel est placé le bobinage. Il est généralement fabriqué avec des éléments discrets (noyau et fil en cuivre) mais différentes conceptions sont envisageables,y compris
les concepts évolués basés sur les technologies
MEMS (microstructures électromécaniques).
La valeur de l’inductance de l’élément saturable
dépend des propriétés magnétiques du noyau
(perméabilité).Lorsque la densité du flux est élevée, le noyau est saturé, sa perméabilité est basse et la valeur de l’inductance est faible.Par contre,
dans le cas d’une faible densité de flux,la valeur
de l’inductance est élevée.La conception du capteur de courant doit être telle que l’inductance de
l’élément saturable soit affectée à la fois par le
courant primaire et par un courant injecté dans
la bobine de l’élément saturable :
- le fait que l’inductance soit affectée par le
courant primaire est utilisée comme un signal
de retour pour le principe de boucle fermée
- la forme d’onde du courant de l’inducteur
saturable est utilisée pour la détection du changement d’inductance
Comme pour les capteurs à effet Hall en boucle
fermée, la bobine secondaire est souvent utilisée comme un transformateur de courant classique, pour mesurer les composantes hautes
fréquences du courant.Selon le modèle de capteur Fluxgate considéré,cet effet transformateur
à haute fréquence n’est pas toujours disponible et entraîne des limites de la bande passante ou du temps de réponse.
Types principaux de capteurs Fluxgate. On en
distingue quatre grandes variantes :
- le Fluxgate standard
- le Fluxgate à deux noyaux magnétiques,dont
MESURES 763 - MARS 2004
Fluxgate standard
Fluxgate à 2 noyaux
magnétiques
les performances sont nettement améliorées en
utilisant un des deux tores magnétiques comme élément saturable, sans espace d’air entre
les deux.Pour ce qui est du comportement aux
hautes fréquences, un second tore bobiné est
utilisé comme transformateur de courant, ici
non plus, il n’y a pas d’entrefer.
- les Fluxgate à trois noyaux magnétiques apportent une amélioration supplémentaire de performances en dédoublant la tête de détection du
champ,en utilisant deux tores bobinés séparément.La bobine d’excitation est enroulée autour
de chaque tore. Pour les hautes fréquences,
l’amélioration est apportée en optimisant la
conception du transformateur de courant et en
combinant plusieurs bobinages sur le même
tore avec une électronique adaptée.
- les Fluxgate basses fréquences,se servant uniquement de la partie basse fréquence du Fluxgate à deux noyaux magnétiques, et en supprimant la partie transformateur de courant.
Performances des technologies Fluxgate.Il est
difficile de comparer simplement les diverses
conceptions Fluxgate mais on peut néanmoins
souligner des tendances générales.
Au nombre des avantages, on trouve le faible
décalage et la faible dérive du décalage, la précision et la résolution élevées, la grande plage de
Fluxgate à 3 noyaux Fluxgate à 2 noyaux magnétiques
sans transformateur de courant
magnétiques
(applications basses fréquences)
températures de fonctionnement,la grande dynamique de mesure de courant (rapport maximum/minimum élevé), la bande passante élevée, le temps de réponse très bref, et ce jusqu’à
200 kHz typique, 800 kHz maximum.
Au nombre des inconvénients, on peut citer la
bande passante limitée pour les modèles les plus
simples,le risque d’une injection de bruit (courant/tension) dans le conducteur primaire et
enfin la consommation de courant secondaire
relativement élevée (mais semblable aux capteurs
en boucle fermée basés sur la technologie Hall).
4 - Les transformateurs de courant
Dans les cas où il ne faut mesurer que des courants alternatifs ou à impulsions, la solution la
plus simple est généralement de considérer un
transformateur de courant traditionnel,combinant des bobines primaire et secondaire sur un
circuit magnétique, sans qu’il soit nécessaire
d’ajouter des composants électroniques.Avec
les transformateurs de courant, le courant au
secondaire, réduit de quelques ordres de grandeurs par rapport au courant primaire,est mesuré avec un shunt. Les transformateurs de courant sont généralement robustes et ils assurent
une isolation galvanique. Il en existe une grande variété sur le marché, pour les courants pri-
Comparaison
des différents types de capteurs de tension
Mesure de Tension
Technologies
à effet Hall
boucle fermée
Plage de mesure
Bande passante
Temps de réponse (@ 90 %)
Précision typique
Linéarité
Commentaires
0 – 9 500 V
quelques kHz
10…100 ms
±1%
< 0.5 %
- Performances
moyennes
Fluxgate
à deux noyaux
magnétiques
AV100
(effet Hall)
OptiLEM
0 – 7 000 V
0 - 2 / 10 / 800 kHz
min. 0.4 ms
± 0.2 %
± 0.05 %
- Grande précision
- Très grande vitesse
- Basse fréquence
50 – 1 500 V
0 – 13 kHz
< 30 ms
± 1.7 %
± 0.1 %
- Faible dimensions
- Tension limitée
- Faible vitesse
100 – 6 000 V
0 – 13 kHz
< 30 ms
± 1.5 %
± 0.1 %
- Robuste aux
perturbations CEM
- Très bonne tenue d’isolation
- Faible vitesse
53
Solutions
Sonde Rogowski planaire (technologie Prime)
Sonde Rogowski filaire
7 - Les MEMS
maires allant de quelques mA à quelques kA,et
couvrant les tensions d’isolation généralement
requises, allant jusqu’à quelques millions de
volts dans le secteur des réseaux de distribution
électrique. On trouve des transformateurs de
courant réservés aux fréquences “techniques”,
relativement basses (entre 16,66 Hz et 400 Hz),
mais ils peuvent monter beaucoup plus haut,
jusqu’à quelques MHz si le nombre de spires
est suffisamment faible pour éviter l’introduction
d’erreurs capacitives.
5 - Les technologies
sans circuit magnétique
Les performances des capteurs de tension et de
courant sont souvent limitées par les imperfections inhérentes aux matériaux magnétiques (se
traduisant par des phénomènes de rémanence,
hystérésis, non-linéarité, pertes). De ce fait, on
évoque souvent l’idée de concevoir des capteurs
sans circuit magnétique (noyau à air). Le défi
dans ce cas consiste à obtenir suffisamment de
sensibilité de mesure tout en restant insensible
aux perturbations magnétiques externes (champ
terrestre,conducteurs externes),fonctions généralement réalisées par le circuit magnétique. Il
existe plusieurs variantes de conceptions de capteurs sans circuit magnétique :
Utilisation d’éléments de détection de
champ à forte sensibilité (AMR, GMR, etc.,
évoqués précédemment).Le recours à une cellule de détection de champ à forte sensibilité
confère la sensibilité nécessaire au capteur de
courant mais la robustesse aux champs externes
devient problématique :l’installation de quatre
éléments de détection dans une configuration
en pont atténue cette influence mais ne règle
pas totalement le problème.
Bobine Rogowski. Pour les mesures de courant alternatif ou à impulsions, une bobine
placée dans l’air et magnétiquement couplée
avec le conducteur primaire “récolte”une tension induite. Cette bobine est en général réalisée en bobinant des spires autour d’un cylindre
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flexible en matériaux isolants.Pour assurer l’insensibilité aux perturbations des champs
externes,il faut faire attention à la manière dont
sont connectés les fils de sortie.
Bobine Rogowski planaire. Plusieurs conceptions de bobines Rogowski fabriquées sur carte de circuit imprimé ont été analysées, dans
le but de réduire les coûts de fabrication, la
taille ou la masse. Pour l’instant, peu de produits basés sur ces technologies sont utilisés
industriellement. Une exception est la technologie PRiME (proposée par LEM), qui est
capable d’avoir simultanément une excellente robustesse aux perturbations externes et
une sensibilité importante.
6 - Les shunts
En général, une mesure du courant au moyen
d’un shunt classique est une bonne solution si les
limitations introduites par le shunt sont acceptables dans l’application : pertes Joules, limitation en bande passante,bruit et mesure non-isolée.
En effet, en pratique, la chute de la tension
aux bornes du shunt doit être maintenue
constante quelle que soit la valeur nominale du
courant à mesurer. En conséquence, les pertes
Joules augmentent proportionnellement à la
valeur du courant, ce qui entraîne des problèmes de refroidissement pour les courants
élevés. Les effets magnétiques sont également
plus marqués pour les courants forts, ce qui
limite la bande passante pour ces courants et
entraîne une baisse du rapport signal sur bruit.
Ces problèmes résultant d’effets inductifs peuvent être atténués par des conceptions adaptées
(shunt coaxial ou planaire). Enfin, des composants supplémentaires sont requis pour assurer l’isolation galvanique, la transmission du
signal et son amplification.
Cela dit,comparativement au transformateur de
courant, le shunt présente l’intérêt de pouvoir
mesurer des courants présentant une composante de courant continu.
Les MEMS (micro-systèmes électromécaniques)
ne représentent en soi pas une nouvelle technologie de mesure de courant mais plutôt une
conception et une technologie originales, permettant de produire des éléments ferromagnétiques de très petites dimensions (2x2 mm). Il
existe deux principaux types de développement
MEMS qui pourraient se révéler dans les années
à venir des candidats sérieux pour la mesure du
courant.Le premier concerne le développement
d’éléments sensibles au champ magnétique
(c’est-à-dire des fluxgates),qui pourraient trouver des applications dans la mesure de courant,
un peu comme ce qui s’est passé pour les cellules
Hall (qui, à l’origine, avaient été développées
pour d’autres applications,les claviers d’ordinateur par exemple).Quant au deuxième type de
développement des MEMS pour les mesures de
courant,il concerne des nouveaux concepts de
mesure, très différents de ceux mis en œuvre
avec les technologies traditionnelles, mais qui
pourraient déboucher grâce aux très faibles
dimensions des MEMS. Dans les deux cas, des
résultats prometteurs ont été obtenus mais tous
les problèmes ne sont pas résolus.Un autre point
est les investissements que les acteurs sont prêts
à consentir, dans un marché tourmenté. Mais,
encore une fois,cela risque de se passer comme
pour les cellules à effet Hall : on aura sans doute des capteurs de champ magnétiques MEMS,
qui adresseront un marché important (les détections de positions d’éléments mécaniques dans
les équipements en tous genres).Les acteurs de
la mesure électrique s’approprieront ensuite cette technologie et mettront tout ce qu’il faut
autour pour en faire des capteurs de courant.
Eric Favre
Wolfram Teppan - LEM
LEM France
La Ferme de Courtaboeuf - 19, avenue des Indes
91969 Courtaboeuf Cedex
Tél.: 01 69 18 17 50 - Fax: 01 69 28 24 29
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MESURES 763 - MARS 2004