Techniques de détection de courant utilisant différents capteurs de courant

Le courant est un facteur très critique en électronique ou en génie électrique. En électronique, le courant peut avoir une bande passante de quelques nano-ampères à des centaines d'ampères. Cette plage peut être beaucoup plus large dans le domaine électrique, généralement à plusieurs milliers d'ampères, en particulier dans les réseaux électriques. Il existe différentes méthodes pour détecter et mesurer le courant à l'intérieur d'un circuit ou d'un conducteur. Dans cet article, nous allons discuter de la façon de mesurer le courant à l' aide de diverses techniques de détection de courant avec leurs avantages, leurs inconvénients et leurs applications.

Méthode de détection de courant du capteur à effet Hall

L'effet Hall est découvert par le physicien américain Edwin Herbert Hall et peut être utilisé pour détecter le courant. Il est généralement utilisé pour détecter un champ magnétique et peut être utile dans de nombreuses applications telles que le compteur de vitesse, l'alarme de porte, le bricolage BLDC.

Le capteur à effet Hall produit une tension de sortie en fonction du champ magnétique. Le rapport de la tension de sortie est proportionnel au champ magnétique. Pendant le processus de détection de courant, le courant est mesuré en mesurant le champ magnétique. La tension de sortie est très faible et doit être amplifiée à une valeur utile en utilisant un amplificateur à gain élevé avec un bruit très faible. Outre le circuit amplificateur, le capteur à effet Hall nécessite des circuits supplémentaires car il s'agit d'un transducteur linéaire.

Avantages:

1. Peut être utilisé à une fréquence plus élevée.
2. Peut être utilisé avec précision en courant alternatif et continu.
3. Méthode basée sur le non-contact.
4. Peut être utilisé dans un environnement difficile.
5. C'est fiable.

Les inconvénients:

1. Le capteur dérive et nécessite une compensation.
2. Un circuit supplémentaire nécessite une sortie utile.
3. Coûteuse que la technique basée sur shunt

Les capteurs à effet Hall sont utilisés dans les pinces multimètres ainsi que dans de nombreuses applications de détection de courant industrielles et automobiles. De nombreux types de capteurs linéaires à effet Hall peuvent détecter un courant de plusieurs mili-ampères à des milliers d'ampères. Pour cette raison, l'application de surveillance Smart Grid utilise également un type différent de capteur à effet Hall pour surveiller le courant du conducteur.

Méthode de détection de courant du capteur de porte de flux

Un inducteur saturable est le composant principal de la technique de détection Fluxgate. Pour cette raison, le capteur Fluxgate est appelé capteur de courant d'inductance saturable. Le noyau d'inductance utilisé pour le capteur de fluxgate fonctionne dans la région de saturation. Le niveau de saturation de cet inducteur est très sensible et toute densité de flux interne ou externe modifie le niveau de saturation de l'inducteur. La perméabilité du noyau est directement proportionnelle au niveau de saturation, par conséquent l'inductance change également. Ce changement de valeur d'inductance est analysé par le capteur de grille de flux pour détecter le courant. Si le courant est élevé, l'inductance devient plus basse, si le courant est faible, l'inductance devient élevée.

Le capteur à effet Hall fonctionne de la même manière que le capteur fluxgate, mais il y a une différence entre eux. La différence réside dans le matériau de base. Le capteur Flux Gate utilise un inducteur saturable, mais le capteur à effet Hall utilise un noyau d'air.

Dans l'image ci-dessus, la construction de base d'un capteur de grille de flux est représentée. Il y a deux bobines primaire et secondaire enroulées autour d'un noyau d'inducteur saturable. Les changements dans le flux de courant peuvent modifier la perméabilité du noyau, entraînant un changement d'inductance à travers l'autre bobine.

Avantages:

1. Peut mesurer dans une large gamme de fréquences.
2. A une grande précision.
3. Décalage et dérives faibles.

Les inconvénients:

1. Consommation d'énergie secondaire élevée
2. Un facteur de risque augmente pour le bruit de tension ou de courant dans le conducteur primaire.
3. Convient uniquement pour DC ou AC basse fréquence.

Les capteurs Fluxgate sont utilisés dans les onduleurs solaires pour détecter le courant. En dehors de cela, la mesure du courant alternatif et continu en boucle fermée peut être facilement réalisée à l'aide de capteurs Flux Gate. La méthode de détection de courant Flux Gate peut également être utilisée dans la mesure du courant de fuite, la détection de surintensité, etc.

Méthode de détection du courant de bobine de Rogowski

La bobine de Rogowski porte le nom du physicien allemand Walter Rogowski. La bobine de Rogowski est fabriquée à l'aide d'une bobine à noyau d'air de forme hélicoïdale et enroulée autour du conducteur ciblé pour la mesure du courant.

Dans l'image ci-dessus, la bobine de Rogowski est représentée avec des circuits supplémentaires. Le circuit supplémentaire est un circuit intégrateur. La bobine de Rogowski fournit une tension de sortie en fonction du taux de changement de courant dans le conducteur. Un circuit intégrateur supplémentaire est nécessaire pour créer une tension de sortie proportionnelle au courant.

Avantages:

1. C'est une bonne méthode pour détecter un changement rapide de courant haute fréquence.
2. Fonctionnement sûr en termes de manipulation de l'enroulement secondaire.
3. Solution économique.
4. Flexibilité de manipulation grâce à la construction en boucle ouverte.
5. La compensation de température n'est pas complexe.

Les inconvénients:

1. Convient uniquement pour AC
2. A une faible sensibilité que le transformateur de courant.

La bobine de Rogowski a une large gamme d'applications. Par exemple, la mesure du courant dans les grands modules de puissance, en particulier sur les MOSFET ou les transistors haute puissance ou sur l'IGBT. La bobine de Rogowski offre une option de mesure flexible. Comme la réponse de la bobine de Rogowski est très rapide sur les transitoires ou les ondes sinusoïdales haute fréquence, c'est un bon choix pour mesurer les transitoires de courant haute fréquence dans les lignes électriques. En distribution électrique ou en réseau intelligent, la bobine de Rogowski offre une excellente flexibilité pour les mesures de courant.

Méthode de détection de courant du transformateur de courant

Le transformateur de courant ou TC est utilisé pour détecter le courant par la tension secondaire qui est proportionnelle au courant dans la bobine secondaire. C'est un transformateur industriel qui convertit la grande valeur de tension ou de courant en une valeur beaucoup plus petite dans sa bobine secondaire. La mesure est prise sur la sortie secondaire.

Dans l'image ci-dessus, la construction est montrée. C'est un transformateur TC idéal avec un rapport primaire et secondaire de 1: N. Le N dépend des spécifications du transformateur. En savoir plus sur les transformateurs ici.

Avantages:

1. Grande capacité de traitement de courant, plus que les autres méthodes présentées dans cet article.
2. Ne nécessite pas de circuits supplémentaires.

Les inconvénients:

1. Nécessite un entretien.
2. L'hystérésis se produit en raison de la magnétisation.
3. Un courant primaire élevé sature les matériaux du noyau en ferrite.

La technique de détection de courant basée sur un transformateur CT est principalement utilisée dans le réseau électrique en raison de la capacité de mesure de courant très élevée. Peu de pinces multimètres utilisent également un transformateur de courant pour la mesure du courant alternatif.

Méthode de détection de courant de résistance shunt

C'est la méthode la plus utilisée dans les techniques de détection actuelles. Cette technique est basée sur la loi d'Ohm.

Une résistance de faible valeur en série est utilisée pour détecter le courant. Lorsque le courant traverse une résistance de faible valeur, il produit une différence de tension aux bornes de la résistance.

Prenons un exemple.

Supposons que 1 A de courant passe à travers une résistance de 1 ohm. Selon la loi d'Ohm, la tension est équivalente au courant x résistance. Par conséquent, lorsque 1A de courant passe à travers une résistance de 1 ohm, il produira 1V à travers la résistance. La puissance de la résistance est un facteur critique à prendre en compte. Cependant, il existe également des résistances de très petite valeur sur le marché, où la résistance est de l'ordre de mili-ohms. Dans un tel cas, la différence de tension aux bornes de la résistance est également très faible. Un amplificateur à gain élevé est nécessaire pour augmenter l'amplitude de la tension et enfin, le courant est mesuré en utilisant la base de calcul inverse.

Une approche alternative pour ce type de technique de détection de courant consiste à utiliser la trace PCB comme résistance shunt. Étant donné que la trace de cuivre d'un PCB offre une très faible résistance, on peut utiliser la trace pour mesurer le courant. Cependant, dans une telle approche alternative, plusieurs dépendances sont également une préoccupation majeure pour obtenir un résultat précis. Le principal facteur qui change la donne est la dérive de température. En fonction de la température, la résistance de trace est modifiée, ce qui entraîne un résultat d'erreur. Il faut compenser cette erreur dans l'application.

Avantages:

1. Solution très économique
2. Peut fonctionner en courant alternatif et continu.
3. Équipement supplémentaire non requis.

Les inconvénients:

1. Ne convient pas pour un fonctionnement à courant plus élevé en raison de la dissipation thermique.
2. La mesure de shunt fournit une diminution inutile de l'efficacité du système en raison du gaspillage d'énergie à travers la résistance.
3. La dérive thermique produit un résultat d'erreur dans une application à haute température.

L'application de la résistance Shunt comprend un ampèremètre numérique. Il s'agit d'une méthode précise et moins chère autre que le capteur à effet Hall. La résistance shunt peut également fournir un chemin à faible résistance et permet à un courant électrique de passer d'un point à l'autre dans un circuit.

Comment sélectionner la méthode de détection de courant appropriée?

La sélection de la méthode appropriée pour la détection de courant n'est pas une chose difficile. Il y a peu de facteurs à prendre en compte pour choisir la bonne méthode, comme:

1. Quelle est la précision nécessaire?
2. Mesure DC ou AC ou les deux?
3. Quelle est la consommation électrique requise?
4. Quelle est la plage et la bande passante actuelles à mesurer?
5. Coût.

En dehors de ceux-ci, une sensibilité acceptable et un rejet des interférences doivent également être pris en compte. Comme tous les facteurs ne peuvent pas être satisfaits, certains compromis sont faits pour compromettre une fonctionnalité avec l'autre en fonction de la priorité des exigences de l'application.