Demandez à dix ingénieurs comment ils mesurent le courant et vous obtiendrez au moins trois réponses, généralement données avec une conviction assez marquée. Les adeptes des shunts ne jurent que par la simplicité. Les partisans de la méthode Rogowski apprécient de pouvoir enrouler une bobine autour d'une barre omnibus de gros diamètre sans interrompre l'alimentation. Quant aux utilisateurs de sondes, ils veulent simplement brancher une pince, activer l'échelle automatique et visualiser simultanément la polarisation continue et l'ondulation de commutation sur la même courbe.
Elles sont toutes plus ou moins valables. En réalité, aucune méthode n'est infaillible. L'important est d'adapter le capteur au signal recherché et de prendre le risque escompté pour le circuit. Voici un comparatif des trois méthodes selon les quatre critères déterminants : bande passante, taille, perte d'insertion et coût — suivie d'une recommandation claire sur les critères permettant à chacun de trouver sa place.
Les trois candidats, chacun dans un paragraphe.
Résistance de shunt. On place une résistance de faible valeur connue en série avec la charge et on mesure la tension à ses bornes. La loi d'Ohm fait le reste. C'est une méthode éprouvée et, à juste titre, toujours aussi utilisée.
Bobine de Rogowski. Une bobine à noyau d'air s'enroule autour du conducteur et mesure la variation du courant (di/dt). Un intégrateur reconvertit cette variation en un signal de courant. L'absence de noyau de fer élimine tout risque de saturation, et la bobine est fine et flexible.
Sonde de courant AC/DC. Une tête de type pince combine un capteur à effet Hall (ou à fluxgate) pour la composante continue et les basses fréquences avec un enroulement de transformateur de courant pour les hautes fréquences. Les deux circuits sont combinés en interne afin d'obtenir une mesure continue du courant continu jusqu'aux hautes fréquences. Le circuit n'est jamais interrompu : la pince le fixe.
Bande passante : que pouvez-vous réellement voir ?
C'est ici que le terrain se sépare le plus rapidement.
UN shunter Sur le papier, il offre la plus grande plage de fréquences théorique : un shunt de courant coaxial bien conçu peut atteindre des centaines de MHz, voire plus, et mesurer un courant continu pur sans dérive. C'est une plage véritablement énorme. Le hic, c'est le mot « bien conçu ». Dès qu'on utilise un shunt sur puce ou sur circuit imprimé ordinaire, l'inductance parasite du corps de la résistance et du circuit imprimé commence à générer une réponse en fréquence abrupte et des oscillations bien avant d'atteindre ces fréquences. Obtenir des performances large bande fiables avec un shunt est une question de rigueur dans la conception, et non une question de facilité d'utilisation.
UN Bobine de Rogowski Le Rogowski est fondamentalement un appareil fonctionnant uniquement en courant alternatif. Comme il réagit à la variation de tension (di/dt), un courant continu stable ne produit aucun signal de sortie : il n'y a tout simplement aucune variation à détecter. Par conséquent, si votre signal comporte une composante continue (ce qui est presque toujours le cas en électronique de puissance), le Rogowski ne peut pas la détecter. Son point fort réside dans sa capacité à fonctionner en courant alternatif : sa bande passante haute fréquence peut atteindre plusieurs dizaines de MHz, ce qui est largement suffisant pour capter les transitions rapides des IGBT et des transistors SiC. En revanche, sa réponse dans les basses fréquences est limitée : les signaux alternatifs très lents sont atténués et la dérive de l'intégrateur devient le facteur limitant.
Un sonde de courant AC/DC Il est conçu spécifiquement pour combler le fossé qui pose problème aux deux autres. Le chemin Hall/fluxgate gère le courant continu et les signaux lents ; le chemin transformateur gère les signaux rapides ; le croisement est réalisé de manière à obtenir une forme d'onde continue. Les sondes hybrides de bonne qualité couvrent généralement une plage de fréquences allant du courant continu à plusieurs dizaines de MHz, et les modèles haut de gamme atteignent des fréquences bien supérieures. L'avantage pratique : lorsque vous analysez un nœud de convertisseur à découpage avec un courant de charge continu. et Une ondulation de mégahertz se superpose, la sonde vous montre les deux simultanément. Le Rogowski abaisserait le plancher du courant continu ; le shunt nécessiterait des prouesses techniques pour rester propre.
Conclusion concernant la bande passante : le shunt a le plafond le plus haut si Vous le concevez parfaitement et n'avez pas besoin d'isolation. Le Rogowski est rapide mais insensible au courant continu. La sonde de courant est la seule des trois à offrir une couverture fiable du courant continu au courant alternatif rapide dès sa sortie de l'emballage.
Dimensions et compatibilité mécanique : peut-il même aller là où vous en avez besoin ?
Les spécifications du banc d'essai ne signifient rien si le capteur ne peut pas s'adapter autour du fil.
Le Bobine de Rogowski C'est incontestablement la solution idéale pour un accès mécanique direct. Fine, flexible et souvent dotée d'un système d'ouverture par clip, elle permet de s'enrouler autour d'une barre omnibus épaisse, d'un enchevêtrement de câbles ou d'une broche de composant dissimulée dans un onduleur encombré — sans noyau à forcer ni mâchoire de taille fixe. Pour les courants très élevés et les géométries complexes, elle reste inégalée. De plus, sa légèreté est un atout majeur lorsqu'elle est suspendue à une patte de composant qu'il ne faut pas endommager.
Un sonde de courant AC/DC Elle est équipée d'une tête de serrage physique assez imposante. La mâchoire détermine le diamètre maximal du conducteur qu'elle peut serrer, et sur les têtes à courant élevé, cette mâchoire devient très lourde. Sur une carte dense où les composants sont très rapprochés, trouver une longueur de conducteur suffisante pour le serrage peut s'avérer très difficile. Cela dit, la tête reste discrète : il s'agit d'un serrage, et non d'une soudure.
UN shunter À faible courant, il est minuscule — un composant CMS quasiment invisible. Mais sa taille augmente considérablement avec la puissance. Si vous lui faites passer un courant important, vous vous retrouvez face à un gros élément métallique fixé sur un dissipateur thermique, car il doit dissiper la chaleur qu'il génère. Le terme « petit » n'est donc vrai qu'à faible intensité.
Perte d'insertion : quel est l'effet du capteur sur votre circuit ?
Celui-ci est souvent sous-estimé jusqu'à ce qu'il vous joue des tours, et c'est l'argument le plus convaincant de toute la comparaison.
UN Par définition, une dérivation est intrusive. Il faut interrompre le circuit et insérer la résistance dans le chemin du courant. Cela entraîne trois problèmes qu'il vaut mieux éviter. Premièrement, cela ajoute une résistance en série – la « tension de charge » – qui diminue la tension aux bornes de la charge et peut modifier le comportement du circuit, notamment en basse tension ou en forte intensité. Deuxièmement, cela dissipe de la puissance sous forme de courant inverse (I²R), ce qui représente une perte d'énergie et, pire encore, une source de chaleur. Troisièmement, cette chaleur provoque une dérive de la valeur de la résistance et génère une force électromotrice thermique aux jonctions, faussant ainsi la mesure que vous essayez d'effectuer. On peut lutter contre tout cela avec une détection Kelvin, des alliages à faible coefficient de température et une conception thermique soignée, mais c'est un combat perdu d'avance.
Ah oui, et le shunt est non isolé galvaniquement. Le signal est au potentiel du circuit. Pour l'acheminer en toute sécurité vers un oscilloscope référencé à la masse, il faut un amplificateur isolé ou un étage d'entrée différentiel ; cela implique un surcoût, une réduction de la bande passante et des risques de panne supplémentaires.
UN Bobine de Rogowski Il est essentiellement sans insertion. Sans noyau, il ne sollicite quasiment pas le conducteur et ne lui absorbe pratiquement aucune énergie. De plus, il est totalement isolé par nature : une simple bobine dans un champ magnétique. C’est précisément pour cette raison qu’il est privilégié pour le raccordement à des systèmes haute tension et haute puissance qu’il est absolument interdit d’interrompre ou d’entrer en contact direct.
Un sonde de courant AC/DC Il est également non intrusif et isolé. Fixé autour du conducteur, il est quasiment imperceptible pour le circuit ; la charge est négligeable pour la grande majorité des mesures. Vous bénéficiez ainsi de la sécurité de l'isolation et de la commodité de ne jamais avoir à couper une piste, à redimensionner une résistance ou à craindre d'endommager un élément de mesure. Sur un système sous tension, ce n'est pas un luxe ; c'est la garantie de préserver l'intégrité de votre dispositif sous test et de votre instrument.
Conclusion concernant la perte d'insertion : Parmi les trois dispositifs, seul le shunt intervient physiquement dans le circuit et ne possède pas d'isolation intrinsèque. Le dispositif Rogowski et la sonde de courant, quant à eux, laissent le circuit quasiment intact et assurent une isolation galvanique contre les potentiels indésirables présents dans l'étage de puissance.
Coût : un prix d'achat bas n'est pas synonyme de prix d'utilisation bas.
C'est là que beaucoup de décisions se trompent, car les gens comparent l'autocollant et s'arrêtent là.
Le Le shunt est plus avantageux que le coût des composants bruts. Une simple résistance de détection est un composant de test des plus économiques. Cependant, son coût total est trompeur. Si l'on ajoute l'amplificateur isolé, l'alliage de précision garantissant sa stabilité, la conception thermique et le dissipateur pour les courants importants, ainsi que le temps d'ingénierie nécessaire à sa conception afin d'éviter les oscillations à haute fréquence, l'option « économique » perd de son attrait. Elle reste abordable pour les applications simples et permanentes ; elle devient onéreuse pour les applications plus exigeantes.
UN Bobine de Rogowski Il se situe dans la moyenne. La bobine elle-même est proposée à un prix raisonnable, même en grande taille, et la possibilité de couvrir une large plage de courant avec une seule boucle flexible, sans changement de matériel, lui confère une réelle valeur ajoutée pour les applications à courant élevé. Il faut toutefois prendre en compte le coût de l'électronique d'intégration, et la mesure précise en courant alternatif uniquement implique un étalonnage spécifique.
Un sonde de courant AC/DC C'est l'investissement initial le plus important des trois, c'est indéniable. Vous payez pour le capteur à effet Hall/fluxgate, le transformateur, l'électronique de mélange, l'étalonnage et la pince mécanique. Mais voyez ce que cet achat unique remplace : il assure la fonction de shunt en courant continu. et Le testeur Rogowski pour courant alternatif rapide, avec isolation intégrée et sans modification du circuit. Un seul instrument, à pince, compatible CC et CA, sans tension de charge, sans pistes coupées, sans dissipateur thermique. Pour un laboratoire effectuant des mesures sur divers circuits, le coût par mesure de cette sonde sur sa durée de vie est souvent le plus bas des trois, même si la facture est la plus élevée. On l'achète une fois pour toutes.
Côte à côte
| résistance shunt | Bobine de Rogowski | Sonde de courant AC/DC | |
|---|---|---|---|
| mesure CC | Oui | Non (Climatisation uniquement) | Oui |
| Bande passante | Très haut si Parfaitement conçu ; les parasites mordent autrement | Excellente réponse dans les hautes fréquences ; absence de résonance dans les basses fréquences/courant continu. | Convertisseur CC vers CA rapide, continu, prêt à l'emploi |
| Isolement | Aucun (nécessite un amplificateur isolé) | Inhérent | Inhérent |
| Perte/charge d'insertion | Significatif — tension de charge, chaleur I²R, dérive thermique | Négligeable | Négligeable |
| ajustement mécanique | Minuscule à faible courant ; volumineux et doté d'un dissipateur thermique à courant élevé. | Fin, flexible, idéal pour les barres omnibus et les espaces restreints. | La tête de la pince est volumineuse ; la mâchoire limite la section du conducteur |
| Intervention chirurgicale sur le circuit nécessaire | Oui — interrompre le circuit | Non — boucler | Non — serrer autour |
| Coût initial | Le plus bas | Milieu | Le plus haut |
| coût réel d'utilisation | Augmente rapidement en fonction des besoins en puissance et en isolation | Modéré | Souvent le coût par mesure le plus bas sur toute sa durée de vie |
Alors, lequel vous faut-il réellement ?
Si on met de côté le tribalisme, tout se résume à votre signal et à votre tolérance face aux perturbations du circuit.
Cherchez un shunt Lorsque la mesure est permanente et intégrée (par exemple, un point de mesure de courant fixe dans un produit, une alimentation de batterie ou une boucle de rétroaction de commande de moteur où la résistance est intégrée à la carte et où le coût unitaire est primordial), c'est la bonne solution si vous êtes responsable du schéma, que vous pouvez budgétiser la tension de charge et que l'isolation n'est pas nécessaire. En revanche, c'est une mauvaise solution dès lors qu'il faut sonder un circuit rapidement, en toute sécurité et sans le toucher, ce qui correspond à la plupart des travaux pratiques.
Utilisez une bobine de Rogowski Lorsque le courant est important, le conducteur est encombrant et le signal est purement alternatif. Onduleurs de forte puissance, barres omnibus de grande taille, câblage non déconnectable : la flexibilité de la boucle et l’absence totale de pertes d’insertion sont des atouts majeurs. Il faut toutefois garder à l’esprit son point faible : l’absence de composante continue et un faible seuil dans les basses fréquences. Si votre signal comporte une composante continue, un circuit Rogowski vous induira en erreur par omission.
Utilisez une sonde de courant AC/DC Quand vous recherchez un outil unique capable de gérer un large éventail de situations concrètes sans vous contraindre à choisir à l'avance. C'est la solution idéale pour visualiser simultanément le courant continu et alternatif, ce qui est le cas pour la quasi-totalité des convertisseurs à découpage, variateurs de moteur, chargeurs de batterie et alimentations du marché. C'est la solution idéale lorsque l'intégrité et l'isolation du circuit sont primordiales. Et c'est la solution idéale lorsque vous souhaitez pouvoir effectuer des mesures et passer au nœud suivant sans couper de piste ni dimensionner de résistance.
Ce dernier point explique pourquoi la sonde de courant se retrouve sur la plupart des bancs d'essai d'électronique de puissance. Le shunt implique une modification du circuit et compromet l'isolation. Le montage Rogowski vous contraint à n'utiliser que du courant alternatif et à espérer l'absence de courant continu dans le signal. La sonde de courant AC/DC, quant à elle, ne nécessite aucune intervention : elle mesure le courant réel, alternatif et continu, sans charger le circuit ni établir de contact électrique avec celui-ci.
Si votre travail englobe plusieurs types de mesures (et qui n'en fait pas autant ?), la sonde est un capteur dont vous pouvez vous inspirer au fil du temps. Achetez le shunt adapté au produit. Gardez le Rogowski pour la barre omnibus. Mais si vous équipez un banc d'essai qui doit vous fournir des mesures précises de la polarisation CC et Le comportement de commutation, sur des circuits sous tension, sans incident, le La sonde de courant AC/DC est celle qui justifie son utilité chaque jour.