Capteurs de courant intelligents pour applications isolées à fort courant (100 A à 1000 A)

Les systèmes d'alimentation secourue haute puissance, les chargeurs intégrés, les onduleurs de traction, les piles à combustible, les systèmes de batteries et d'autres applications exigent des mesures de courant précises à des tensions de mode commun élevées. Ces systèmes utilisent traditionnellement des solutions de mesure du courant basées shunt pour les valeurs < 50 A et des solutions basées Hall pour les valeurs > 50 A.

Méthodologies isolées de mesure du courant

L'article de Texas Instruments traitant de la comparaison des solutions isolées de détection du courant basées sur shunt et Hall pour les véhicules électriques et hybrides de Krunal Maniar s'intéresse aux applications de véhicules électriques utilisant des technologies isolées de mesure de fort courant. Les méthodes les plus fréquentes sont basées sur shunt avec amplificateurs ou modulateurs isolés, ou Hall avec des capteurs à effet Hall en boucle ouverte ou fermée, comme illustré à la Figure 1.

Figure 1 : Méthodes isolées de mesure du courant. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les systèmes basés shunt sont généralement plus faciles à implémenter, car ils sont plus linéaires et offrent une plus haute précision de mesure du courant que les méthodes basées Hall. Le Tableau 1 compare les caractéristiques des deux technologies dans plusieurs catégories.

Tableau 1 : Comparaison des méthodes basées shunt et basées Hall. (Source : Texas Instruments)

Les applications à plus haute puissance, les exigences de rendement accru et le marché mondial croissant des véhicules électriques et électriques hybrides (VEH) nécessitant une plus grande précision de la mesure du courant renforcent l'intérêt pour des solutions de mesure shunt isolées à plus fort courant.

Technologie de mesure du courant isolée intelligente SSA de Riedon

Les capteurs de courant intelligents SSA de Riedon intègrent un shunt haute puissance à faible résistance et un amplificateur de précision isolé. Des modèles sont disponibles avec des plages de mesure du courant de 100 A à 1000 A. Les fonctionnalités clés incluent un isolement renforcé de 1500 V_CC/1000 V_CA RMS, une précision initiale de ±0,1 %, une linéarité de ±0,1 % sur la plage de courant, une alimentation unipolaire, une sortie analogique différentielle et une largeur de bande de 300 kHz. Le schéma fonctionnel du capteur est illustré à la Figure 2.

Figure 2 : Schéma fonctionnel d'un capteur de courant intelligent. (Source de l'image : Riedon)

La structure physique consiste en une barre bus d'alimentation avec un logement de capteur isolé encapsulant le centre de la barre, comme illustré dans le SSA-250 à la Figure 3. Un connecteur à quatre broches série JWPF de JST fournit l'interface avec (1) l'alimentation, (2) la terre, (3) +Vin et (4) -Vin pour le capteur encapsulé. Le connecteur correspondant de JST est de type J04R-JWPF-VSLE-S (logement) et SWPR-001T-P025 (contact).

Figure 3 : SSA-250. (Source de l'image : Riedon)

La gamme SSA de Riedon offre quatre courants nominaux : 100 A, 250 A, 500 A et 1000 A. (Remarque : la version 1000 A utilise une barre bus plus large avec quatre orifices de montage.)

Matériel de montage et assemblage de câbles en option

Pour faciliter le montage, un support de montage en option, le SSA-BASE, est disponible pour les modèles SSA-100 à SSA-500, comme illustré à la Figure 4. Il est fabriqué à partir de matériaux répertoriés UL 94-V0 et utilise du matériel en acier inoxydable 5/16-18.

Figure 4 : SSA-BASE. (Source de l'image : Riedon)

Un assemblage de câbles avec connecteur, le SSA-CABLE-1M, est également disponible en option. Il est illustré à la Figure 5. Il est compatible avec tous les modèles SSA et présente une longueur de câble standard de 1 mètre.

Figure 5 : SSA-CABLE-1M. (Source de l'image : Riedon)

L'assemblage de câbles utilise le connecteur homologue JST pour les modèles SSA-xxx et deux paires torsadées de fils de calibre 22 à codage couleur. L'une des paires torsadées (rouge/noir) est destinée à l'alimentation du capteur et à la mise à la terre, tandis que l'autre (jaune/blanc) est destinée aux signaux de sortie différentielle (+) et (-) de l'amplificateur.

Projet de démonstration de faisabilité d'un capteur de courant sans fil Bluetooth 100 A

Ce projet consistait à développer une démonstration de faisabilité de capteur de courant sans fil Bluetooth de 100 A à l'aide du capteur SSA-100 de Riedon et d'autres éléments matériels prêts à l'emploi. Pour le contrôleur principal et la connectivité Bluetooth, j'ai utilisé la carte nRF52840 Feather Express d'Adafruit. J'ai choisi cette carte car elle intègre Bluetooth et elle prend en charge la programmation CircuitPython. J'utilise CircuitPython dans mes projets basés sur microcontrôleurs, car c'est un langage très performant, facile à utiliser, disponible sur de nombreuses plateformes et bénéficiant d'une bibliothèque et d'exemples étendus d'Adafruit. Étant donné que le signal de courant du capteur SSA-100 est représenté par une tension analogique différentielle de 12 mV/A, j'ai ajouté la carte Breakout CAN ADS1115 d'Adafruit. Ce CAN fournit 4 canaux, une précision 16 bits, un gain programmable, une interface I²C et une capacité d'entrée différentielle. La Figure 6 montre le schéma de câblage entre le matériel et le capteur de courant de Riedon.

Figure 6 : Schéma Scheme-it du capteur de courant Bluetooth. (Source de l'image : Digi-Key)

La nomenclature (BOM) intégrale se trouve dans le projet Digi-Key Scheme-it® ci-dessous.

Le code CircuitPython sur la carte nRF52840 Feather Express permet d'établir la connexion Bluetooth et d'envoyer les mesures du capteur SSA-100 vers un téléphone Android. Les détails du projet, le code CircuitPython d'exemple et les liens de référence sont disponibles dans le projet eeWiki du capteur de courant 100 A sans fil Bluetooth.

Configuration des tests et résultats

Pour le test, j'ai installé le capteur de courant en série avec la batterie 12 V de mon quad Honda, comme illustré à la Figure 7. La mise en marche du treuil électrique du quad a fourni une charge de courant que le capteur de courant a pu mesurer.

Figure 7 : Configuration du test avec un quad Honda. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

J'ai installé l'application mobile BlueFruit LE Connect d'Adafruit sur un téléphone Google Pixel pour afficher les mesures de courant envoyées par la carte nRF52840 Feather Express. Le mode « traceur » de l'application m'a permis d'afficher les mesures de courant du SSA-100 après la mise en marche du treuil du quad. La Figure 8 montre les mesures de courant du quad avec le treuil en marche en modes inverse et traction.

Figure 8 : Graphique de BlueFruit LE Connect. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Conclusion

Les capteurs de courant SSA de Riedon sont précis, polyvalents et faciles à utiliser. Ils peuvent être utilisés en mode haut potentiel ou bas potentiel aussi bien dans les applications CA que dans les applications CC. Étant donné qu'ils sont hautement linéaires, ces capteurs peuvent facilement être intégrés dans des circuits haute puissance afin d'ajouter une capacité de mesure du courant isolée et précise.