Mesure de Courant et de Tension
- Shunt de courant, principe de mesure et caractéristiques
- Un shunt de mesure de courant est une résistance spécifique de faible valeur, très stable en température, résistante aux surintensités et calibrée en usine.
Le shunt est placé en série avec le courant à mesurer, le câblage est réalisé en quatre fils pour éliminer les résistances parasites additionnelles de raccordement du circuit de puissance (les fils de mesure sont raccordés directement aux bornes de l'élément résistif interne).
- Un shunt développe une sortie tension (mV) directement proportionnelle au courant électrique qui le traverse (loi d'ohms).
Les shunts sont employés pour la mesure de courants continus et alternatifs,
jusqu’à plusieurs dizaines de kHz, et pour des courants pouvant aller à plusieurs kiloampères.
- Afin de limiter les pertes par effet joule et la chute de tension dans le circuit de mesure, on privilégie un faible niveau de tension de sortie, la faible impédance de la source rend le signal de mesure relativement insensible aux perturbations électromagnétiques environnantes. (utilisation d'un câble avec paire torsadée recommandée en sortie)
- Précision : les shunts SensiLec couvrent une gamme de précision de 0.02% à 0.5% pour des courants de quelque mA à 1000A
- Réponse en fréquence : l'inductance interne d'un shunt industriel standard limite son utilisation à une fréquence de 50 kHz environ (erreur de 3 à 5%). L'Inductance du shunt n'affecte pas la mesure des signaux continus, mais peut perturber grandement les mesures en alternatif, notamment sur des systèmes à découpage où les fréquences peuvent être assez élevées. L'inductance du shunt provoque un déphasage pouvant affecter les mesures de facteur de puissance ou de puissance absorbée. L'erreur en fréquence est inversement proportionnelle à la valeur ohmique du shunt. Ci-dessous le ratio résistance en alternatif / résistance en continu en fonction de la fréquence.
_PNG.png)
schéma de principe d'un shunt de courant
Shunt de précision haute stabilité
Shunt industriel sur Rail DIN
Shunt sur embase
- Stabilité thermique : la stabilité thermique typique des shunts et de l'ordre de 15 à 30 ppm/°C (partie par million par degré Celsius) afin de réduire au maximum la dérive en température, certains modèles (shunt-DSP) sont assemblés sur des dissipateurs pour obtenir une très grande stabilité thermique en limitant au maximum l'échauffement de l'élément résistif.
Les éléments résistifs sont généralement réalisés en Manganin,
il s'agit d'un alliage dont la résistance est extrêmement stable en température (+/-15 ppm / °C, voir courbe ci-dessous),
avec une très faible dérive de long terme et une très faible FEM thermoélectrique lorsqu'il est raccordé avec un fil de cuivre.
Il est composé de cuivre à 84 %, de manganèse à 12 % et de nickel à 4 %, sa température limite d'utilisation est de 100°C
(140°C en pointe) pour ne pas altérer ses propriétés, il a une tenue à l'oxydation limitée.
On trouve également des résistances en constantan (55% de cuivre et 45% de nickel) très légèrement moins stable, mais permettant une utilisation en température plus élevée (400°C pointe) avec une forte résistance à l'oxydation.
Courbe d'évolution de la résistance d'un shunt en pleine charge 20A, 100A et 300A
(constante de temps thermique)
- Effet thermoélectrique : Le maintien d'une température homogène autour des résistances de précision fait partie intégrante du maintien de la stabilité d'un circuit. Les fluctuations de température autour d'une résistance peuvent provoquer des erreurs de mesure.
La relation entre la variation de température et de résistance, lié à l'auto-échauffement, est un phénomène bien connu.
Par contre, l'effet thermoélectrique, générant une tension à partir du gradient de température dans un circuit, est moins connu.
La FEM thermique, également connue sous le nom d'effet Seebeck, se produit lorsque deux matériaux différents, fonctionnant à des températures différentes, sont assemblés. La différence de température entre les deux conducteurs provoque la production d'une tension ou FEM (force électromotrice thermique), qui peut être attribuée aux électrons circulant du matériau chaud vers le plus froid.
La tension résultante dépend des matériaux assemblés et peut varier de quelques microvolts par degré à des dizaines de µV/°C.
Cet effet est fréquemment utilisé pour mesurer la température (thermocouple), mais indésirable pour la mesure de courant.
Cela conduit à l'introduction d'une tension continue dans le circuit de mesure non prévue. La plupart du temps, cette tension est trop faible pour avoir une incidence sur la mesure, mais dans les applications nécessitant une grande précision, avec un faible signal de sortie ou une dissipation thermique importante, le phénomène peut avoir un impact sur la classe de précision.
Il est donc important de réduire le gradient thermique autour des parties critiques du shunt. Pour éviter les FEM thermiques,
les fils et le corps de la résistance doivent être maintenus à la même température.
Ci-dessous les trois critères principaux à suivre pour limiter les effets thermoélectriques lors de la mise en œuvre d'un shunt :
1) Les shunts doivent de préférence être placées horizontalement.
2) Les shunts doivent être placées perpendiculairement à tous les composants générant de la chaleur.
3) S'il y a un ventilateur dans le système, le shunt doit être placé perpendiculairement au flux d'air.
- Courant maximum : le courant maximum dans un shunt est essentiellement limité par la puissance dissipée et donc la température maximum admissible par l'élément résistif. (145°C pour le manganin, avant dégradation des caractéristiques)
Les shunts qui n'ont pas besoin d'un fonctionnement permanent et qui ne sont exposés qu'à des impulsions intermittentes peuvent fonctionner à des niveaux supérieurs à leur courant nominal pendant de courtes périodes.
De nombreuses variables entrent en considération telle que la température ambiante, la section des conducteurs porteurs de courant, la conductivité thermique, la ventilation, la durée d'impulsion, le rapport cyclique de l'impulsion (cycle de fonctionnement) calculer les valeurs exactes est complexe, chaque shunt devra être validé au cas par cas. SensiLec peut répondre à vos besoins spécifiques et vous proposer un modèle approprié à votre application. (à titre d'exemple, pour un shunt standard utilisé à 500% du courant nominal, l'impulsion ne doit pas dépasser 3 secondes, et le rapport cyclique doit rester inférieur à 5%)
- Stabilité à long terme : Les shunts étant des composants passifs, leurs caractéristiques sont très stables dans le temps dans des conditions normales d’utilisation.
Le vieillissement de l'élément résistif n'engendre pas de dégradation de la classe de précision à long terme. (sur plusieurs années)
Seule une surcharge prolongée ou importante (élévation anormale de température) peut altérer la précision du shunt.
Une exposition prolongée à une atmosphère agressive risque également de provoquer une dérive métrologique (oxydation).
Avantages des shunts :
simple, fiable (MTBF élevé), mesure en alternatif et en continu, précision élevée, stabilité à long terme, bonne réponse en fréquence, pas de saturation, auto-alimenté, bon rapport performances / prix,
inconvénients des shunts :
Faible signal de sortie, pas d'isolation, échauffement, intrusif, nécessite l'ouverture du circuit de mesure, raccordement du circuit de puissance délicat pour les fortes intensités, risque de destruction sur court-circuit.
Stabilité thermique des shunts (élément sensible en Manganin)
Vous ne trouvez pas le capteur que vous cherchez,
nous avons d'autres solutions hors catalogue, écrivez-nous.
