Détection de courant résistif :détection côté bas vs côté haut

Quelle est la différence entre la détection de courant résistif côté haut et côté bas ? Cet article explique les bases, ainsi que quand chacun est le choix de conception le plus approprié.

De nombreuses applications, telles que la gestion de l'alimentation, la charge de la batterie, le contrôle du moteur et la protection contre les surintensités, peuvent bénéficier de la détection de courant résistif. Il existe deux options pour placer une résistance de détection de courant en série avec une charge :la détection de courant côté bas et côté haut.

Dans cet article, nous examinerons ces deux arrangements et discuterons de leurs avantages et inconvénients fondamentaux.

Détection de courant résistif

La détection de courant résistif est largement utilisée sur les assemblages de cartes de circuits imprimés lorsqu'il s'agit de niveaux de courant faibles à modérés. Avec cette technique, une résistance connue R_shunt est placé en série avec la charge et la tension développée aux bornes de la résistance est mesurée pour déterminer le courant de charge. Ceci est illustré à la figure 1.

Figure 1

Les résistances de détection de courant, également appelées résistances shunt ou simplement shunts, ont généralement des valeurs de l'ordre de milliohms. Pour les applications à très haut courant, la valeur de la résistance shunt peut être même de quelques fractions de milliohm pour réduire la puissance dissipée par la résistance.

Notez que même avec de petites valeurs de résistance, la dissipation de puissance du shunt peut être un problème, en particulier pour les applications à courant élevé. Par exemple, avec R=1 mΩ et I=100 A, la puissance dissipée par la résistance shunt est :

\[P =R \times I^2 =0,001 \times 100^2 =10 W\]

Une faible valeur de résistance entraîne également une faible chute de tension aux bornes de la résistance. C'est pourquoi un amplificateur est nécessaire pour convertir la petite tension développée à travers la résistance shunt en une tension suffisamment élevée pour les circuits en amont.

Nous discuterons du fait que, dans la détection de courant côté haut, l'amplificateur peut avoir des exigences strictes en termes de spécification du taux de réjection en mode commun (CMRR).

Détection Low-Side et High-Side

Il existe deux options pour placer une résistance shunt en série avec une charge. Ces deux dispositions sont appelées méthodes de détection de courant côté bas et côté haut et sont illustrées à la figure 2.

Figure 2. (a) Détection de courant côté bas et (b) techniques de détection de courant côté haut.

Dans la configuration côté bas, la résistance de détection de courant (R_shunt ) est placé entre la borne de terre de l'alimentation et la borne de terre de la charge. Avec la méthode high-side, la résistance shunt est placée entre la borne positive de l'alimentation et l'entrée d'alimentation de la charge.

Voyons quels sont les avantages et les inconvénients de chaque méthode.

Détection côté haut contre côté bas :la valeur du mode commun

Supposons que R_shunt =1 mΩ et I=100 A. Même avec ce courant important, la chute de tension aux bornes de la résistance shunt n'est que de 100 mV. Par conséquent, la valeur de mode commun de la tension aux bornes d'une résistance shunt côté bas n'est que légèrement supérieure au potentiel de terre. Et, pour la configuration côté haut, le niveau de mode commun de la tension aux bornes de la résistance shunt est très proche de la tension d'alimentation de la charge.

Étant donné que l'amplificateur utilisé dans la détection de courant côté bas traite une petite tension de mode commun, il n'a pas besoin d'avoir un taux de réjection de mode commun (CMRR) élevé. Le taux de réjection en mode commun spécifie le degré d'atténuation qu'un amplificateur présente pour un signal commun aux deux entrées de l'amplificateur. Étant donné que la valeur en mode commun est presque nulle pour une configuration de détection de courant côté bas, l'exigence CMRR de l'amplificateur est considérablement assouplie et, par conséquent, des configurations d'amplificateur simples peuvent être utilisées.

La figure 3 montre un amplificateur de base qui peut être utilisé dans la détection de courant côté bas.

Figure 3

Dans cet exemple, l'amplificateur se compose d'un amplificateur opérationnel et de deux résistances de réglage de gain R1 et R2. Notez qu'il s'agit en fait de la configuration non inverseuse d'un ampli-op. Le schéma plus familier de cet amplificateur est présenté ci-dessous :

Figure 4

La sortie qui est une version amplifiée de V_shunt peut être trouvé par l'équation suivante :

\[V_{out} =\left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} =\left(1 + \frac{R_2} {R_1}\right) V_{shunt}\]

D'un autre côté, un amplificateur utilisé dans la détection de courant côté haut doit faire face à une tension de mode commun élevée. L'amplificateur doit avoir un CMRR élevé pour éviter que la grande entrée de mode commun n'apparaisse à la sortie. C'est pourquoi des configurations d'amplificateur spécialisées sont nécessaires pour la détection de courant côté haut. Ces amplificateurs doivent présenter un CMRR élevé et prendre en charge une plage de mode commun d'entrée jusqu'à la tension d'alimentation de la charge.

Il convient de mentionner qu'il existe de nombreuses applications de détection de courant côté haut, telles que les applications de commande de moteur triphasé, où la tension d'alimentation de la charge est bien supérieure à la tension d'alimentation utilisée pour l'amplificateur. Par conséquent, dans une configuration de détection côté haut, le mode commun d'entrée de l'amplificateur doit généralement être beaucoup plus grand que sa tension d'alimentation, une exigence qui rend la conception de l'amplificateur très difficile.

La méthode Low-Side peut causer des problèmes de boucle de masse

Bien que la méthode de détection côté bas simplifie la conception de l'amplificateur, elle présente quelques inconvénients. La mesure du courant côté bas place une résistance supplémentaire dans le chemin de terre. Par conséquent, la masse du circuit surveillé est à un potentiel légèrement supérieur à la masse du système. Cela peut devenir un problème pour certains circuits analogiques.

Étant donné que la terre du circuit surveillé n'est pas au même potentiel que les autres charges du système, il peut y avoir des problèmes de boucle de terre entraînant un bruit audible, tel qu'un bourdonnement, ou même des interférences avec l'équipement à proximité. En raison de cette limitation, la détection de courant côté bas est généralement utilisée dans les applications où nous traitons une charge isolée ou la charge n'est pas sensible au bruit de sol. La commande de moteur sensible aux coûts dans des applications telles que les drones, les perceuses et les scies alternatives emploie généralement une détection côté bas pour être en mesure de rivaliser sur le marché des consommateurs.

La méthode Low-Side ne peut pas détecter la détection de défaut

Il existe diverses conditions de défaut que la détection de courant côté bas ne peut pas détecter. La figure 5 montre un exemple où un court-circuit se produit entre l'alimentation du circuit surveillé et la terre du système.

Figure 5

Le courant de défaut, I_short , passe de la tension du bus directement à la terre du système et ne passe pas par la résistance shunt. Par conséquent, le circuit du moniteur de courant ne détectera pas cette condition de défaut. La détection de courant côté bas ne peut pas non plus détecter un court-circuit entre la terre du circuit surveillé et la terre du système (Figure 6).

Figure 6

Cependant, la détection de courant côté haut peut détecter les conditions de défaut qui se produisent en aval de la résistance shunt. Ceci est illustré à la figure 7.

Figure 7

Dans ce cas, le courant de défaut passe par la résistance shunt. Par conséquent, le circuit de mesure de courant peut détecter la condition de court-circuit et déclencher l'action corrective appropriée.

La détection de courant côté haut peut simplifier le câblage

Un autre inconvénient de la détection de courant côté bas est que deux fils sont nécessaires pour alimenter le circuit surveillé même si la terre du système est disponible. Par exemple, dans les applications automobiles, le châssis de la voiture sert de terrain d'entente. Le châssis étant au niveau du sol du système, nous n'avons besoin que d'un seul fil pour alimenter une charge. Cependant, si le courant traversant la charge est surveillé par la technique de mesure côté bas, la terre du système ne peut pas être utilisée et deux fils sont nécessaires pour la charge. Étant donné que la technique de détection côté haut utilise la terre du système pour la charge surveillée, elle ne souffre pas de cette limitation. C'est pourquoi la détection côté haut est mieux adaptée aux applications automobiles.

Dans le prochain article, nous examinerons plus en détail le schéma de la figure 3. Nous verrons que cette structure est également sensible à la résistance des traces de PCB et une mesure plus précise peut être effectuée au moyen d'un amplificateur de différence.

Conclusion

Le principal avantage de la détection côté bas est que des configurations relativement simples peuvent être utilisées pour amplifier la tension aux bornes de la résistance shunt. Cependant, la détection de courant côté bas est sensible aux perturbations de la terre et ne peut pas détecter les conditions de défaut. La détection de courant côté bas est généralement utilisée dans les applications de commande de moteur sensibles aux coûts qui doivent être en mesure de rivaliser sur le marché des consommateurs.

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