Concevoir des mesures de shunt de courant qui restent précises

Un shunt de courant convertit le courant d’un circuit en une faible tension qu’un instrument peut mesurer. Le principe est la loi d’Ohm : le courant traversant une résistance connue crée une chute de tension proportionnelle. Le défi de conception consiste à choisir une résistance suffisamment élevée pour être mesurable, mais assez faible pour éviter des pertes, un échauffement et une perturbation excessifs de la charge.

Commencez par définir les exigences de mesure

Définissez les courants minimal, normal et maximal avant de sélectionner le matériel. Déterminez également si le courant est continu, alternatif ou constitué d’une forme d’onde commutée, si son sens importe, la bande passante requise et l’erreur totale acceptable. Un shunt dimensionné uniquement pour le courant nominal peut surchauffer lors du démarrage, du freinage ou en cas de défaut.

Déterminez comment le résultat sera utilisé. La surveillance de l’énergie peut tolérer une réponse plus lente que la commande d’un moteur. La protection nécessite un temps de détection et une plage de défaut connus. Le matériel de test peut nécessiter une mesure bidirectionnelle et une isolation par rapport au circuit testé.

Choisissez la résistance en fonction du signal et des pertes

La tension aux bornes du shunt suit la relation V = I × R. Une résistance plus élevée produit un signal plus important et améliore la distinction par rapport à la tension d’offset et au bruit de l’amplificateur. Elle augmente également la tension de charge et les pertes de puissance. La dissipation suit la relation P = I² × R ; l’échauffement augmente donc rapidement avec le courant.

Calculez la chute de tension et la dissipation au courant continu maximal autorisé. Évaluez ensuite la durée des surcharges et le retour à l’équilibre thermique. Vérifiez dans la fiche technique la puissance continue, la capacité en impulsion, le coefficient de température et les conditions de montage de la résistance. Ne supposez pas qu’un marquage indiquant une puissance élevée suffit à définir la précision de mesure.

Choisissez un positionnement côté haut ou côté bas

Un shunt côté bas est placé entre la charge et le retour du système. Il peut simplifier les exigences de mode commun de l’amplificateur, mais la tension ajoutée modifie la référence de la charge par rapport à la masse. Cela peut perturber d’autres signaux connectés ou masquer certains chemins de court-circuit vers la masse.

Un shunt côté haut est placé entre l’alimentation et la charge. Il préserve la référence de masse de la charge et peut détecter le courant circulant vers une charge en court-circuit. Le circuit de mesure doit supporter la tension de mode commun du bus. Les recommandations de Texas Instruments pour les mesures côté haut insistent sur le choix d’un amplificateur dont la plage d’entrée et les protections sont adaptées à ce bus.

Pour les mesures de phase d’un onduleur, la tension de mode commun commutée et les transitoires rapides rendent le positionnement plus exigeant. Utilisez des composants et des agencements prévus pour cette topologie. Ne transposez pas un circuit de laboratoire basse tension dans un entraînement à haute énergie.

Utilisez des connexions Kelvin

La résistance des fils et du cuivre peut être du même ordre que celle d’un shunt de faible valeur. La mesure à quatre fils, ou mesure Kelvin, sépare le chemin du courant du chemin de détection de tension. Acheminez les pistes de mesure directement depuis les points de mesure spécifiés jusqu’à l’entrée différentielle. Maintenez-les proches l’une de l’autre et éloignées des nœuds de commutation.

Ne prélevez pas la tension de mesure à des points quelconques le long d’une barre omnibus ou d’une piste de puissance. La résistance des contacts, les soudures et la répartition du courant feraient alors partie de la mesure. L’erreur résultante pourrait varier avec la température, le couple de serrage ou le vieillissement.

Établissez le budget d’erreur

Incluez la tolérance du shunt, le coefficient de température, l’auto-échauffement, l’offset de l’amplificateur, l’erreur de gain, les effets du courant de polarisation d’entrée, l’erreur de référence, la résolution du convertisseur analogique-numérique et le bruit. À faible courant, l’offset domine souvent. À fort courant, l’échauffement du shunt et l’erreur de gain peuvent devenir prépondérants. Les limites de bande passante peuvent déformer les impulsions courtes, même lorsque les mesures en régime stable sont précises.

Estimez l’élévation de température du shunt dans des conditions représentatives de circulation d’air et de boîtier. La résistance varie avec la température, et les sources de chaleur voisines peuvent déplacer la ligne de base avant même qu’un courant ne circule. Lorsque la précision est importante sur une large plage, un étalonnage en un seul point peut ne pas suffire.

Protégez la chaîne de mesure

Le shunt et l’amplificateur peuvent être soumis à une tension anormale lors d’erreurs de câblage, d’événements inductifs et de défauts. Mettez en œuvre le filtrage et les protections d’entrée recommandés pour l’amplificateur choisi, sans réduire la réponse requise. Vérifiez les tensions maximales des résistances, et pas uniquement leur puissance nominale.

Une isolation peut être nécessaire lorsque le circuit mesuré est dangereux, flotte à un potentiel très éloigné de la masse du contrôleur ou se trouve à l’intérieur d’un convertisseur de puissance. La stratégie d’isolation doit couvrir le signal, l’alimentation, les lignes de fuite, les distances d’isolement et l’énergie de défaut. Une simple entrée différentielle ne constitue pas une barrière d’isolation de sécurité.

Mettez le système en service avec des essais contrôlés

Avant la mise sous tension, vérifiez la polarité, le routage Kelvin, les distances d’isolement et de fuite ainsi que le montage du shunt. Commencez si possible avec une source limitée en courant. Comparez le canal du shunt à un instrument de référence approprié à courant nul, faible, normal et élevé. Testez les deux sens dans les systèmes bidirectionnels.

Laissez l’ensemble atteindre l’équilibre thermique, puis répétez les mesures. Un canal précis à froid peut dériver après plusieurs minutes. Notez la température ambiante, la température du shunt, le matériel de référence et l’incertitude. Vérifiez que la chute de tension ne fait pas sortir la charge de sa plage de fonctionnement.

Diagnostiquez systématiquement les mauvaises mesures

Une erreur fixe à courant nul suggère un offset, un courant de polarisation, un décalage de masse ou un problème d’étalonnage. Une erreur proportionnelle au courant suggère une erreur de résistance ou de gain. Une dérive dans le temps indique un échauffement. Un bruit synchronisé avec la commutation PWM indique un couplage en mode commun, un problème d’agencement ou de bande passante. Un échelon soudain après une maintenance peut signaler une connexion de puissance desserrée ou une liaison de mesure endommagée.

Mesurez entre les véritables points Kelvin et comparez cette tension au résultat numérisé. Vous pourrez ainsi distinguer les problèmes du shunt et du chemin de puissance des problèmes liés à l’amplificateur, au convertisseur analogique-numérique et à la mise à l’échelle logicielle. Évitez de corriger un défaut matériel avec un coefficient logiciel inexpliqué.

Documentez la mesure comme une boucle d’instrumentation

Consignez la valeur du shunt, sa tolérance, son comportement thermique, la plage de courant, le gain de l’amplificateur, l’équation de mise à l’échelle, les réglages du filtre et les résultats d’étalonnage. Définissez des intervalles d’inspection pour les connexions boulonnées à fort courant. Lors du remplacement d’un shunt, respectez les exigences électriques et mécaniques.

Le matériel de mesure associé peut être consulté dans les collections Transmetteurs de procédé et Systèmes DCS et de contrôle. Pour les équations de conception et les compromis de positionnement, consultez la note d’application de Texas Instruments sur la mesure de courant côté haut. Un bon canal de mesure par shunt est une chaîne de signal complète, et non simplement une résistance ajoutée à un conducteur.