Mesures de courant simplifiées : une sonde de courant pour RF

Dec 31, 2023

Dans de nombreux cas, les mesures de courant sans composante continue sont utiles. Le plus courant est le cas des TC (transformateurs de courant) pour les réseaux alternatifs. Cet article porte sur la conception de transformateurs de courant pour les moyennes et hautes fréquences, qui sont vraiment simples à construire. Les formules présentées sont également valables pour les blocs d'alimentation AC.

La sonde dansChiffre1 est conçu pour mesurer jusqu'à 50 A crête dans une gamme de fréquences allant de 7 kHz à des dizaines de MHz. Le schéma enChiffre2est assez simple : le fil dont il faut mesurer le courant passe à travers le tore, qui est un noyau Amidon FT 82-43 ordinaire qui fonctionne bien jusqu'à au moins 50 MHz.

L'enroulement secondaire est constitué de dix tours de fil uniformément répartis sur le noyau. Si disponible, utilisez un fil toronné de calibre moyen, mais ce n'est pas obligatoire. En raison du rapport de 1:10 tours, le courant maximal dans le secondaire est de 5 Ap. Le côté secondaire est chargé de 0,2 Ω, ce qui a été réalisé par une connexion en parallèle de cinq résistances de 1 Ω. A un courant crête de 5 Ap, la tension crête aux bornes de ces résistances est de 1 Vp, ce qui est très pratique pour les mesures avec un oscilloscope. Pour un courant sinusoïdal, la puissance dissipée moyenne au niveau des résistances est R·I2 = R·Ip2 / 2 = 2,5 W soit 0,5 W par résistance. Un courant sinusoïdal continu de 50 Ap ne peut être mesuré qu'avec des résistances de 0,5 W ou plus. Mais, si les formes d'onde sont pulsées ou si des mesures très courtes sont effectuées, des résistances de ¼ W feront l'affaire. C'était mon choix parce que je voulais garder la conception compacte pour de meilleures performances RF. OK, je dois aussi admettre que ce sont les résistances que j'avais sous la main.

Chiffre3 montre une utilisation typique avec une sonde d'oscilloscope, en utilisant un adaptateur BNC pour les oscilloscopes. L'appareil peut également être utilisé avec une connexion directe par câble coaxial à l'entrée de l'oscilloscope, car 1 Vp est idéal pour le fonctionnement de l'oscilloscope 1× : Dans ce cas, l'utilisation d'un câble court est recommandée pour éviter les réflexions dans la bande d'intérêt, car le câble coaxial seront incompatibles des deux côtés. Encore mieux, le câble coaxial peut être terminé à son impédance caractéristique du côté de l'oscilloscope : de nombreux oscilloscopes modernes offrent la possibilité de régler l'impédance d'entrée à 50 Ω, c'est donc particulièrement facile. Dans ce cas précis, il faut retenir que la mesure sera légèrement hors échelle, du fait de la mise en parallèle de la charge de 50 Ω avec les 0,2 Ω incorporés dans la sonde (la résistance totale devient 0,1992 Ω, soit un facteur d'échelle de 50,2 A /V).

Ce qu'il faut éviter, c'est de fixer la sonde d'oscilloscope directement aux résistances à l'aide des clips et de sauter le connecteur BNC, car lors de la mesure de courants RF élevés, même la boucle non blindée minimale dans les sondes ajoutera des artefacts aux mesures.

La conception du transformateur de courant n'est pas compliquée, mais certaines formules électromagnétiques sont nécessaires. Tout d'abord, à propos de la résistance de charge RL, qui doit être aussi petite que possible afin de minimiser la perte de puissance introduite, car le circuit sous mesure "verra" au moins R·n2, où 1:n est le rapport de tours (1 :10) et R est la somme de RL (0,2 Ω) et de la résistance du fil secondaire (quelques mΩ). Comme déjà dit, il est très important que le côté secondaire soit enroulé uniformément, sinon le circuit testé présentera une inductance parasite en série. A l'autre extrême, si nous choisissons une valeur trop faible pour RL, nous aurons également une tension très faible à mesurer, provoquant du bruit sur les traces. Enfin, RL doit être supérieur à la résistance du fil secondaire. Dans mon cas, j'ai choisi 0,2 Ω pour pouvoir obtenir 1 V à 5 A (50 A sur le primaire), ce qui ajoute 2 mΩ au circuit testé. Le nombre de spires secondaires, n, détermine le rapport de courant. Dans le cas d'un TC haute fréquence, ce nombre doit être maintenu bas pour éviter l'auto-résonance causée par une capacité parasite associée à une inductance élevée. Dans le cas des TC secteur, la fréquence est assez basse (50 ou 60 Hz), et donc n = 1000 est une valeur courante. Les puissances de 10 sont courantes, de sorte que le rapport de conversion du courant est simple, mais d'autres valeurs sont possibles. La fréquence utilisable la plus élevée pour un TC toroïdal à ferrite dépend de :

Une conception telle que la mienne peut facilement fonctionner jusqu'à plusieurs dizaines de MHz si une ferrite appropriée, telle que le matériau 43 d'Amidon/Fair-Rite, est utilisée. Les noyaux à haute perméabilité utilisés pour la suppression des EMI peuvent également être utilisés, mais uniquement jusqu'à des fréquences beaucoup plus basses. Les noyaux à faible perméabilité utilisés pour les inductances de puissance et les inductances à haut Q sont déconseillés, car leur inductance par tour est trop faible, ce qui affecte le point suivant. Le choix du noyau de ferrite a également un impact sur la fréquence utilisable la plus basse, pour deux raisons :

Le couplage capacitif entre enroulements primaire et secondaire peut perturber les mesures aux fréquences utiles les plus élevées, voire aux fréquences modérées si le conducteur primaire est soumis à une tension RF élevée. La conception peut être améliorée en ajoutant un blindage électrostatique qui évite ce couplage capacitif : En pratique, le fil primaire est passé à l'intérieur d'un petit morceau de tube métallique (généralement en cuivre ou en laiton) connecté à la sortie GND du secondaire, comme indiqué dansChiffre4 . Cela ne modifie pas la liaison magnétique, mais agit comme un bloqueur de champ électrique.

Cet exemple de transformateur de courant RF ainsi que les critères de conception les plus importants prouvent que cette question est moins complexe qu'il n'y paraît au départ. J'espère que les considérations et les formules présentées ici sont utiles pour simplifier la manipulation des noyaux toroïdaux, ainsi que pour servir de base à vos propres développements.

Roberto Visentin est un ingénieur en électronique récemment retraité qui a travaillé sur l'électronique et les systèmes de contrôle pour les applications marines et la robotique sous-marine. Travaillant toujours en tant que consultant indépendant, il aime trouver plus de temps pour développer des projets de loisirs dans son laboratoire électronique à domicile.

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Cet article a été initialement publié dans Elektor en mai et juin 2023. Devenez membre Elektor dès aujourd'hui !