Détection de courant à effet Hall :configurations en boucle ouverte et en boucle fermée

Découvrez les bases des capteurs de courant à effet Hall dans cet article technique.

Les capteurs de courant sont largement utilisés dans une variété d'applications. Une technique courante est la détection de courant résistif où la chute de tension à travers une résistance shunt est mesurée pour déterminer le courant inconnu. Les solutions basées sur des résistances shunt ne fournissent pas d'isolation galvanique et ne sont pas économes en énergie, en particulier lors de la mesure de courants importants.

Une autre technique largement utilisée est basée sur l'effet Hall. Un capteur de courant à effet Hall offre un niveau de sécurité supérieur grâce à son isolation galvanique entre le capteur et le courant à mesurer. Il évite également la dissipation de puissance importante de la résistance shunt utilisée dans les méthodes de détection de courant résistif.

Dans cet article, nous examinerons les bases des capteurs de courant à effet Hall.

Détection de courant en boucle ouverte

La structure d'un capteur de courant en boucle ouverte à effet Hall est illustrée à la figure 1.

Figure 1. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Dewesoft

Le courant à mesurer circule dans un conducteur qui se trouve à l'intérieur d'un noyau magnétique. De cette façon, le courant crée un champ magnétique à l'intérieur du noyau. Ce champ est mesuré par un capteur à effet Hall placé dans l'entrefer central.

La sortie du capteur Hall est une tension proportionnelle au champ magnétique du noyau qui est également proportionnelle au courant d'entrée. Le signal produit par le dispositif Hall est généralement traité par un circuit de conditionnement de signal. Le circuit de conditionnement du signal peut être un simple étage d'amplification ou un circuit plus compliqué conçu pour éliminer l'erreur de dérive du dispositif Hall, etc.

Pourquoi avons-nous besoin d'un noyau magnétique ?

Supposons qu'il n'y ait pas de noyau magnétique. Le champ magnétique à une distance de r d'un conducteur droit infiniment long qui transporte un courant électrique de I est donné par :

\[B =\frac{µ_0I}{2\pi r} ~ , ~ µ_0 =4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m }\]

où µ₀ est la perméabilité de l'espace libre. Pour I=1 A, r=1 cm, on obtient :

\[B =2 \times 10^{-5}~Tesla =0.2~Gauss\]

Pour avoir une idée de la petite taille de ce champ magnétique, notez que le champ magnétique terrestre est d'environ 0,5 Gauss. Par conséquent, il est très difficile de mesurer un courant de 1 A en détectant le champ magnétique qu'il produit dans l'espace libre. Pour lutter contre ce problème, on peut utiliser un noyau magnétique pour confiner et guider le champ magnétique produit par le courant. Le noyau offre un chemin de haute perméabilité pour le champ magnétique et agit comme un concentrateur de champ. Le champ magnétique à l'intérieur du noyau peut être des centaines ou des milliers de fois plus grand que celui qu'un courant donné peut produire dans l'espace libre.

L'entrefer

Comme le montre la figure 1, le noyau magnétique est conçu avec un entrefer dans lequel est placé le capteur à effet Hall. L'entrefer peut conduire à un phénomène de flux frangeant où certaines lignes de flux s'écartent de leur trajectoire rectiligne et, par conséquent, ne traversent pas le capteur comme prévu. Cet effet de frange est illustré à la figure 2.

Figure 2. Image reproduite avec l'aimable autorisation de R. Jez

En raison de l'effet de frange, la densité de flux magnétique détectée par le dispositif à effet Hall peut être inférieure à la densité de flux magnétique à l'intérieur du noyau. En d'autres termes, l'entrefer peut réduire l'efficacité du noyau à convertir le courant primaire en un champ magnétique puissant. Cependant, si la longueur de l'espace est petite par rapport à la surface de la section transversale de l'espace, l'effet de l'effet de frange peut être relativement faible.

Nous avons besoin de l'entrefer pour pouvoir mesurer le champ magnétique à l'intérieur du noyau. De plus, l'entrefer permet de modifier la réluctance globale du noyau. Notez qu'un courant élevé peut créer un champ magnétique important à l'intérieur du noyau et le saturer. Cela peut limiter le courant maximal qui peut être mesuré. En ajustant la longueur de l'entrefer, nous pouvons modifier le niveau de saturation du noyau. La figure 3 montre comment la densité de flux magnétique détectée change avec la longueur de l'entrefer pour un noyau donné.

Figure 3. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'Allegro

Avec des entrefers plus petits, nous pouvons obtenir un gain magnétique plus important (gain en gauss par ampère). Cependant, un entrefer plus petit peut faire saturer le noyau à un courant relativement plus petit. Par conséquent, la longueur de l'entrefer affecte directement le courant maximal qui peut être mesuré. En plus de la longueur de l'entrefer, il existe d'autres facteurs, tels que le matériau du noyau, les dimensions du noyau et la géométrie du noyau, qui déterminent l'efficacité d'un noyau magnétique. Pour plus d'informations sur les noyaux adaptés aux applications à courant élevé (>200 A), veuillez vous référer à cette note d'application d'Allegro.

Limites de la détection de courant en boucle ouverte

Avec une configuration en boucle ouverte, des effets non idéaux, tels que des erreurs de linéarité et de gain, peuvent affecter la précision de la mesure. Par exemple, si la sensibilité du capteur change avec la température, une erreur dépendant de la température apparaîtra à la sortie. En outre, avec la détection de courant en boucle ouverte, le noyau est sujet à la saturation. De plus, le décalage du capteur Hall ainsi que la coercivité du noyau peuvent contribuer aux erreurs.

Détection de courant en boucle fermée

La technique de détection de courant à effet Hall en boucle fermée est illustrée à la figure 4.

Figure 4. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Cheemi-Tech

Comme son nom l'indique, cette technique est basée sur des concepts de rétroaction négative. Dans ce cas, il y a un enroulement secondaire qui est entraîné par la sortie du chemin de retour. Le chemin de rétroaction détecte le champ magnétique à l'intérieur du noyau et ajuste le courant à travers l'enroulement secondaire de sorte que le champ magnétique total du noyau devienne égal à zéro. Voyons comment fonctionne ce circuit.

Le courant à mesurer traverse le conducteur primaire et crée un champ magnétique à l'intérieur du noyau. Ce champ est mesuré par un capteur à effet Hall placé dans l'entrefer du cœur. La sortie du capteur Hall, qui est une tension proportionnelle au champ magnétique du noyau, est amplifiée et convertie en un signal de courant qui traverse l'enroulement secondaire. Le système est conçu de manière à ce que le courant traversant l'enroulement secondaire produise un champ magnétique qui s'oppose au champ magnétique du courant primaire. Le champ magnétique total étant égal à zéro, nous devrions avoir :

\[N_pI_p =N_sI_s\]

où N_p et N_s sont respectivement le nombre de spires des enroulements primaire et secondaire; et je_p et moi_s sont les courants primaire et secondaire. Dans la figure 4, nous avons N_p =1 et \[V_{out} =R_m \times I_s\]. On obtient donc :

\[V_{out} =R_m \times \frac{1}{N_s} \times I_p\]

Cela nous donne une tension qui est proportionnelle au courant primaire. Notez que le facteur de proportionnalité, \[R_m \times \frac{1}{N_s}\], est fonction du nombre de tours et de la valeur de la résistance shunt. Le nombre de tours est une valeur constante et les résistances sont également très linéaires.

Détection de courant en boucle ouverte ou en boucle fermée

La rétroaction négative employée dans l'architecture en boucle fermée nous permet de réduire les effets non idéaux tels que les erreurs de linéarité et de gain. C'est pourquoi, contrairement à une configuration en boucle ouverte, une architecture en boucle fermée n'est pas affectée par la dérive de la sensibilité du capteur. Par conséquent, une configuration en boucle fermée offre une plus grande précision. Un capteur de courant en boucle fermée est plus robuste à la saturation du noyau car la densité de flux magnétique à l'intérieur du noyau est très faible.

Avec la détection en boucle fermée, la bobine secondaire est activement entraînée par un amplificateur haute puissance. Les composants supplémentaires utilisés dans une architecture en boucle fermée conduisent à une plus grande surface de circuit imprimé, une consommation d'énergie plus élevée ainsi qu'un prix plus élevé.

Le problème de stabilité est un autre inconvénient d'un capteur de courant en boucle fermée. Avec une configuration en boucle fermée, nous devons dériver la fonction de transfert du système et nous assurer que le système est stable. Un système instable peut présenter un dépassement ou une sonnerie en réponse à un changement rapide du courant d'entrée. Pour rendre un système en boucle fermée stable, nous devons généralement limiter sa bande passante. Cependant, la réduction de la bande passante du système peut augmenter son temps de réponse et rendre le système incapable de répondre aux changements rapides de l'entrée. On s'attend généralement à ce qu'une configuration en boucle ouverte présente un temps de réponse plus rapide.

Notez que le décalage du capteur Hall peut contribuer à des erreurs à la fois dans les configurations en boucle fermée et en boucle ouverte. Le décalage d'un élément Hall antimoniure d'indium (InSb) de qualité est généralement de ±7 mV.

Solutions intégrées modernes

Il convient de mentionner que les capteurs de courant modernes à effet Hall utilisent des techniques innovantes pour remédier à certaines des limitations ci-dessus. Par exemple, le DRV411 de TI est un circuit intégré de conditionnement de signal conçu pour les applications de détection de courant en boucle fermée qui utilise la technique de rotation du courant pour éliminer les erreurs de décalage et de dérive de l'élément Hall. Cette technique est illustrée à la figure 5.

Figure 5. Technique de filage actuelle utilisée dans le DRV411. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Texas Instruments

Un autre exemple est l'ACS720 [lien de téléchargement PDF] d'Allegro qui est conçu pour les applications de détection de courant en boucle ouverte. L'ACS720 utilise des algorithmes de compensation de température sur puce pour optimiser la précision en fonction de la température.

Figure 6. Le schéma fonctionnel de l'ACS720. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'Allegro Microsystems [lien de téléchargement PDF]

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