Guide expert des capteurs de courant à effet Hall : configurations open‑loop & closed‑loop

Apprenez 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 résistive où la chute de tension aux bornes d'une résistance shunt est mesurée pour déterminer le courant inconnu. Les solutions basées shunt ne fournissent pas d'isolement galvanique et ne sont pas efficaces énergétiquement, surtout pour mesurer de grands courants.

Une autre technique largement utilisée repose sur l'effet Hall. Un capteur de courant à effet Hall fournit un niveau de sécurité plus élevé grâce à son isolement galvanique entre le capteur et le courant à mesurer. Il évite aussi la dissipation de puissance significative de la résistance shunt employée dans les méthodes résistives.

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

Détection de courant open‑loop

La structure d'un capteur de courant à effet Hall open‑loop est montrée Figure 1.

Figure 1. Image courtoisie Dewesoft

Le courant à mesurer traverse un conducteur à l'intérieur d'un noyau magnétique. Ainsi, 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 du noyau.

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

Pourquoi avons‑nous besoin d'un noyau magnétique ?

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

\[B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} ~ , ~ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m}\]

où μ₀ est la perméabilité du vide. Pour I=1 A, r=1 cm, nous obtenons :

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

Pour avoir une idée de la petitesse de ce champ, notez que le champ magnétique terrestre est d'environ 0,5 Gauss. Donc, il est très difficile de mesurer un courant de 1 A en détectant le champ magnétique qu'il produit dans l'espace libre. Pour combattre ce problème, nous pouvons 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 concentrateur de champ. Le champ magnétique à l'intérieur du noyau peut être des centaines ou milliers de fois plus grand que celui qu'un courant donné peut produire dans l'espace libre.

L'entrefer

Comme montré Figure 1, le noyau magnétique est conçu avec un entrefer dans lequel le capteur Hall est placé. L'entrefer peut mener au phénomène de flux frangeant où certaines lignes de flux dévient de leur chemin droit et donc, ne passent pas à travers le capteur comme attendu. Cet effet frangeant est montré Figure 2.

Figure 2. Image courtoisie R. Jez

À cause de l'effet frangeant, la densité de flux magnétique détectée par le dispositif Hall peut être plus petite que la densité de flux à l'intérieur du noyau. En d'autres termes, l'entrefer peut réduire l'efficacité du noyau à convertir le courant primaire en champ magnétique fort. Cependant, si la longueur de l'entrefer est petite comparée à la section transversale, l'effet du frangeant peut être relativement petit.

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

Figure 3. Image courtoisie Allegro

Avec des entrefers plus petits, nous pouvons atteindre un gain magnétique plus grand (gain gauss‑par‑ampère). Cependant, un entrefer plus petit peut faire saturer le noyau à un courant relativement plus petit. Donc, la longueur de l'entrefer affecte directement le courant maximum mesurable. En plus de la longueur, d'autres facteurs comme le matériau du noyau, dimensions, géométrie, déterminent l'efficacité d'un noyau magnétique. Pour plus d'infos sur noyaux adaptés applications haut courant (>200 A), référez‑vous à cette application note d'Allegro.

Limitations de la détection open‑loop

Avec une configuration open‑loop, des effets non‑idéaux, comme erreurs de linéarité et gain, peuvent affecter la précision de mesure. Par exemple, si la sensibilité du capteur change avec température, une erreur température‑dépendante apparaîtra à la sortie. De plus, avec la détection open‑loop, le noyau est sujet à saturation. De plus, l'offset du capteur Hall ainsi que la coercivité du noyau peuvent contribuer aux erreurs.

Détection de courant closed‑loop

La technique de détection de courant à effet Hall closed‑loop est illustrée Figure 4.

Figure 4. Image courtoisie Cheemi‑Tech

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

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 noyau. La sortie du capteur Hall, qui est une tension proportionnelle au champ magnétique du noyau, est amplifiée et convertie en signal de courant qui traverse l'enroulement secondaire. Le système est conçu de façon que le courant traversant l'enroulement secondaire produise un champ magnétique qui s'oppose à celui du courant primaire. Avec le champ magnétique total égal à zéro, nous devrions avoir :

\[N_p I_p = N_s I_s\]

où N_p et N_s sont respectivement le nombre de spires des enroulements primaire et secondaire ; et I_p et I_s sont les courants primaire et secondaire. En Figure 4, nous avons N_p= 1 et \[V_{out} = R_m \times I_s\]. Donc, nous obtenons :

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

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

Détection open‑loop vs closed‑loop

La rétroaction négative employée en architecture closed‑loop permet de réduire les effets non‑idéaux comme erreurs de linéarité et gain. C'est pourquoi, contrairement à une configuration open‑loop, une architecture closed‑loop n'est pas affectée par la dérive de sensibilité du capteur. Donc, une configuration closed‑loop offre une précision plus élevée. Un capteur closed‑loop 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 closed‑loop, l'enroulement secondaire est activement piloté par un amplificateur de puissance. Les composants additionnels dans une architecture closed‑loop mènent à une surface PCB plus grande, consommation de puissance plus élevée, et prix plus élevé.

La stabilité est un autre inconvénient d'un capteur closed‑loop. Avec une configuration closed‑loop, nous devons dériver la fonction de transfert du système et s'assurer qu'il est stable. Un système instable peut exhiber overshoot ou ringing en réponse à un changement rapide du courant d'entrée. Pour rendre un système closed‑loop stable, nous devons usually limiter sa bande passante. Cependant, réduire la bande passante peut augmenter son temps de réponse et rendre le système incapable de répondre à des changements rapides de l'entrée. Une configuration open‑loop est généralement attendue pour exhiber un temps de réponse plus rapide.

Notez que l'offset du capteur Hall peut contribuer aux erreurs tanto en closed‑loop qu'en open‑loop. L'offset d'un élément Hall indium antimonide (InSb) de qualité est typiquement ±7 mV.

Solutions intégrées modernes

Il est utile de mentionner que les capteurs de courant à effet Hall modernes emploient des techniques innovantes pour adresser certaines des limitations ci‑dessus. Par exemple, le DRV411 de TI est un IC de conditionnement de signal conçu pour applications closed‑loop qui utilise la technique de current spinning pour éliminer l'offset et les erreurs de dérive de l'élément Hall. Cette technique est illustrée Figure 5.

Figure 5. Technique current spinning utilisée dans le DRV411. Image courtoisie Texas Instruments

Un autre exemple est le ACS720 [lien PDF download] d'Allegro conçu pour applications open‑loop. Le ACS720 utilise des algorithmes de compensation température on‑chip pour optimiser la précision sur température.

Figure 6. Diagramme bloc du ACS720. Image courtoisie Allegro Microsystems [lien PDF download]

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