Le bon fonctionnement ainsi que la qualité et la fiabilité des systèmes consommant ou produisant de l’énergie électrique repose principalement sur une mesure de courants.
Les capteurs de courant sont très répandus, on les trouve partout : dans les réseaux électriques, les moyens de transport existants ou futurs, l’industrie, les moyens de production d’électricité propres, mais aussi en application médicale et de recherche.
Pourquoi la mesure de courant électrique est si importante ?
Demande et consommation en énergie sont en constante croissance. Avec des besoins liés aux nouvelles évolutions telles que les véhicules électriques avec ou sans conducteur, piles et batteries, nouveaux réseaux de distribution électrique, mais aussi de façon moins imporante pour les applications « domestiques, climatisation et chauffage ». Le transport de l’énergie électrique nécessite des réseaux pouvant gérer rapidement les données de production et de consommation. Ces nouveaux réseaux intelligent (smart grid ) sont équipés de capteurs de courant, indicateurs en temps réel de la production et la consommation et des systèmes de communication.
Quelles applications pour la mesure de courant électrique ?
Industrie
Automobile
Ce segment est un consommateur très important de capteurs de courant de différentes technologies utilisés pour la gestion de surveillance de batteries, le contrôle du courant des packs batteries des véhicules électriques et hybrides, les convertisseurs de puissance et direction assistée électrique.
Énergie et automation
L’énergie et les signaux électriques sont au cœur des procédés industriels, machine outils et systèmes. Ils permettent en outre de superviser rapidement et de manière fiable les équipements et les installations.
Traction et infrastructures ferroviaires
Les modes de transport publics regroupent les trains à grande vitesse, les systèmes de transports urbains ainsi que le fret. La mesure de courant électrique est une solution idéale face au besoin croissant de mobilité tout en luttant contre la pollution et l’encombrement du trafic.
Applications médicales (IRM) et recherches (synchrotron)
Conditionnement et capteur
Le conditionnement sera différent selon la technologie du capteur, la technologie sera choisie selon les spécifications nécessaires pour l’application.
Comme exemple, pour les applications médicales (IRM) et cyclotron, la précision et la stabilité du capteur de courant seront de quelques ppm alors que pour les applications industrielles en général, 0,5 ou 1% seront suffisant.
Les applications pour lesquelles le capteur de courant est directement intégré comme composant d’une carte électronique, les dimensions et coût seront prépondérants.
Rappel : En métrologie, la grandeur à mesurer est appelée Mesurande et Mesure, le résultat du mesurage.
Trois aspects d’un système de mesure doivent être distingués
Le transducteur
Élément sensible servant à transformer la grandeur physique recherchée en une grandeur électrique (généralement une tension).
La topologie
Manière dont sont mis en œuvre ou associés un ou plusieurs transducteurs afin de conférer à la mesure les caractéristiques principales (linéarité, stabilité…). Le pont de Wheatstone en est un exemple.
L’instrumentation
Électronique associée au capteur, elle peut être intégrée dans le capteur ou extérieure. Ses fonctions seront d’avoir un signal en sortie amplifié, souvent filtré avec un maximum de stabilité.
Mesure du courant
Divers principes physiques peuvent être utilisés :
Le plus direct consiste à utiliser la loi d’Ohm en mesurant aux bornes d’une résistance de valeur précise (shunt de mesure) parcourue par le courant à mesurer. Toutes les autres méthodes sont des méthodes indirectes, les transducteurs utilisés étant sensibles aux grandeurs magnétiques induites par le courant à mesurer. Ces méthodes font appel au théorème Maxwell/Ampère.
Parmi les transducteurs possibles, on peut citer les capteurs de Hall (basés sur des matériaux semi-conducteurs), les magnétorésistances (basées sur des matériaux magnétiques) et les transformateurs de courant (basés sur des inductances).
Principales technologies de capteurs de courant
Les shunts
Ce sont les seuls capteurs donnant une lecture directe du courant. Un shunt est une résistance précisément connue et calibrée, placée en série avec le conducteur traversé par le courant (i mes) à mesurer. La mesure de la tension Vs=Rs x i mes (loi d’Ohm) à ses bornes permet de déterminer ce courant. Il existe 2 types de shunt, les shunts réalisés en technologie planaire (circuit en couche épaisse) et les shunts réalisés en technologie coaxiale. Les shunts en technologie planaire sont utilisée en implantation dans des circuits imprimés. Les shunts en technologie coaxiale sont plutôt utilisés pour la mesure de courant à très haute fréquence.
Les shunts placés en série avec le conducteur parcouru par le courant sont intrusifs. Ils présentent des inconvénients, problème de connectique et génération d’une inductance parasite aux points de prélèvement de la tension. Pour la mesure de forts courants ils sont massifs et présentent des pertes joules (dissipation de chaleur). Néanmoins ils sont très utilisés car ils sont robustes et bon marché.
Les transformateurs de courant
Un transformateur de courant (TC) est un tore ferromagnétique comportant un enroulement primaire de N1 spires parcouru par le courant à mesurer i mes et un enroulement secondaire comportant un nombre N2 élevé de spires terminé par une charge résistive R.
Son principe repose sur le théorème d’Ampère et la loi de Lenz, le premier veut que le courant parcourant le conducteur primaire crée une induction qui, pour peu que son flux varie, engendre en vertu de la seconde, une force électromotrice (f.e.m) variable aux bornes du secondaire. Il en résulte aux bornes de la charge R une tension Vs proportionnelle à i mes, telle que la sensibilité du transformateur vérifie la relation :
Vs = R N1 (V/A)
—- —-
I mes N2
En pratique, lorsque les courants à mesurer sont supérieurs à 50A, on ne fait passer qu’une seule fois le conducteur primaire autour du circuit magnétique : N1=1. Les transformateurs de courant sont une solution robuste et simple, ils ne nécessitent pas d’alimentation extérieure.
Bonines de Rogoxski
Comme les transformateurs de courant, les bobines de Rogowski reposent sur le théorème d’Ampère et la loi de Lenz. La différence se situe au niveau du noyau des bobines qui est amagnétique. Ces bobines se présentent comme un enroulement hélicoïdal, généralement de plusieurs centaines à plusieurs milliers de spires. Une extrémité du fil est ramenée par le centre du noyau jusqu’à l’autre extrémité. Le conducteur primaire parcouru par le courant à mesurer est entouré par le bobinage. La tension induite en sortie de l’enroulement est proportionnelle à la dérivée de la variation du courant. Pour s’affranchir de l’opération de dérivée, un circuit intégrateur est placé en sortie du capteur. La tension de sortie est proportionnelle au courant et en phase avec celui- ci.
Les bobines de Rogowski se présentent sous forme de capteurs ouvrants que l’on peut clipser autour du câble parcouru par le courant à mesurer. Cette facilité d’installation est d’un grand intérêt pratique. Néanmoins le système d’ouverture entraine une discontinuité de bobinage qui affecte légèrement la précision de la mesure.
Capteurs de Hall
La plupart des capteurs magnétiques existants utilisent l’effet Hall. Ils peuvent être utilisés pour la mesure de courant. Ils sont réalisés à partir de matériaux semiconducteurs. Ils doivent être alimentés par un courant i. Lorsqu’un champ magnétique (induit par le courant à mesurer i mes) est appliqué au capteur, les porteurs de charges du semiconducteur subissent la force de Lorentz et sont déviés au cours d’un régime transitoire, mais l’apparition de charges surfaciques au sommet et à la base de l’échantillon semi-conducteur vient créer un champ électrique et engendrer une force s’opposant exactement à celle de Lorentz.
Une différence de potentiel, appelée tension de Hall, apparaît ainsi entre les faces de l’échantillon. C’est cette tension qui se trouve être proportionnelle à I mes qui constitue le signal de sortie du capteur. De nombreux capteurs de courant continu utilisent des éléments de Hall montés dans l’entrefer d’un noyau magnétique, ce qui permet d’accroitre la sensibilité de la mesure, de protéger de l’influence des champs extérieurs et de diminuer celle de la position du conducteur parcouru par le courant à mesurer. Cependant, en raison de l’entrefer du noyau, ces capteurs ne sont pas totalement affranchis de ces influences indésirables, ils subissent également de sérieux offsets (tension continue indésirable) pouvant être causés par la rémanence du noyau magnétique.
Seuls quelques composants commerciaux disposent d’un circuit AC de démagnétisation leur permettant de se réinitier lorsqu’ils ont été exposés à un fort courant DC du champ extérieur.
Afin d’obtenir de bonnes caractéristiques de linéarité et de les affranchir des dérives en température inhérents aux matériaux semiconducteurs, les capteurs de Hall sont souvent associés à une boucle de rétroaction compensant l’effet du courant à mesurer à l’aide d’un bobinage. C’est en mesurant le courant de rétroaction via un shunt que l’on peut mesurer précisément i mes.
Les magnétorésistances
Les magnétorésistances sont des capteurs magnétiques à base de matériaux ferromagnétiques. Il en existe différentes formes. Les principales étant les magnétorésistances anisotropes (AMR), les magnétorésistances géantes (GMR) et les magnétorésistances à effet tunnel (TMR).
Capteurs de Hall
À l’origine ces technologies ont été développées en raison du besoin de miniaturisation des têtes de lecture des disques durs ou les AMR ont tout d’abord remplacé les bobines, avant d’être supplantés par les GMR, qui à leur tour se sont vu remplacés par les TMR. Mais les magnétorésistances ont d’autres applications, comme la mesure de courant.
Les capteurs AMR (Anisotropic Magneto Resistance)
Les capteurs AMR sont constitués d’un matériau ferromagnétique (comme le permalloy) dont la résistance dépend de l’angle entre l’aimantation et la direction du courant injecté (les AMR nécessitent une alimentation en courant). Sous l’influence d’un champs magnétique (à mesurer), supposé perpendiculaire à l’axe de l’aimantation celui-ci subit une rotation dont découle une variation de résistance, de laquelle, par mesure de la tension aux bornes de l’échantillon, on peut déduire la valeur du champ.
La résistance R varie comme le carré du cosinus de l’angle entre l’aimantation et le courant de commande. Cette caractéristique présente l’inconvénient de n’être pas linéaire. Cependant il est possible d’obtenir une réponse qui soit linéaire à un champ nul grâce à une structure dite de baberpole qui permet de forcer l’orientation du courant à 45° de l’aimantation. Toutefois, même dans ce cas de figure la linéarité des capteurs n’est pas très bonne. C’est pourquoi, comme pour les sondes de Hall, un circuit de compensation (boucle fermée) est souvent mis en œuvre.
La topologie de capteur la plus répandue est le pont de Wheastone qui permet d’accéder à la variation du champ engendrée par le courant à mesurer. La structure en pont a également pour effet d’affranchir la mesure des effets des variations de magnétorésistance liées à la température.
Les capteurs AMR offrent une meilleure résolution de mesure que les capteurs de Hall, mais leur direction de mesure est située dans le plan de la puce, ce qui empêche de les placer dans l’entrefer d’un circuit magnétique.
Les capteurs GMR (Giant Magneto Resistance) et TMR (Tunel Magneto Resistance)
Comme les AMR, les GMR et les TMR sont des composants dans lesquels on injecte un courant de commande et qui voient leur résistance varier lorsqu’ils sont plongés dans un champ magnétique orienté selon une direction privilégiée.
Leur structure est cependant différente, puisque constituée de multiples couches (manométriques) de matériaux magnétiques séparés par des couches non magnétiques (conductrices dans un cas, isolante dans l’autre). La résistance de ces structures dépend de l’orientation de leur aimantation, laquelle tend à tourner sous l’influence d’un champ extérieur, ce qui fait varier la résistance.
Ces composants sont sensibles à la température et pour s’affranchir de cette dépendance ils sont habituellement montés en pont de Wheatstone. Ils offrent des variations de résistances supérieures à celles des AMR.
Les fluxgates
Le principe des capteurs fluxgates (porte de flux) repose sur l’utilisation d’un noyau ferromagnétique doux dont on module la perméabilité au moyen d’un flux magnétique périodique crée par un bobinage d’excitation. L’intensité du courant induisant le flux d’excitation est choisie suffisamment grande pour amener (périodiquement) l’aimantation du noyau magnétique à saturation. À ce flux se superpose celui du champ que l’on souhaite mesurer dont l’effet est de dissymaitriser la saturation. Le flux total est capté par un second bobinage à la sortie duquel apparaît une tension égale à la dérivée du flux magnétique (loi de Lenz) qui se présente, compte tenu de l’excitation appliquée sous forme d’impulsions.
En pratique, c’est via le second harmonique du signal de sortie que se fait la mesure. Afin de maximiser la sensibilité du capteur, le matériau magnétique doit présenter un cycle carré, raison pour laquelle on emploie des matériaux doux. Les fluxgates se distinguent par leur précision de mesure. La linéarité de ces capteurs et leur précision sont encore accrues lorsqu’on les fait fonctionner en boucle fermée.
Afin d’illustrer la qualité des capteurs de courant de cette technologie, voici quelques spécifications représentatives d’un capteur Danisense modèle DS600ID.
- Erreur maximum de linéarité : 1 ppm
- Courant primaire nominal AC(eff.) : 600A
- Courant primaire nominal DC : 900A
- Etendue de mesure : 1000A
- Rapport primaire secondaire (n1/n2) : 1 :1500
- Bande passante (f-3dB) : 500 KHz
Conclusion
Il existe de nombreux capteurs de courant. Ils exploitent divers principes physiques et technologiques (loi d’Ohm, effet Hall, magnétorésistance…) dont quelques exemples ont été donnés. Si les performances de mesure (linéarité, précision, insensibilité à la température) dépendent intrinsèquement de ces principes, deux autres importants leviers permettent de les optimiser:
• l’architecture des dispositifs (l’association de capteurs dans un pont de Wheatstone).
• l’électronique de conditionnement (amplification, filtrage des signaux, boucle de rétroaction).
Ce sont naturellement les contraintes imposées par l’application visée (précision, dynamique de mesure, réponse en phase, encombrement, besoin de mesurer des signaux continus, et/ou variables, coût, facilité de mise en œuvre) qui déterminent le choix d’une technologie.
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