Sonde de faible courant isolée AC/DC à effet Hall


Nous souhaitons réaliser ici une sonde de courant avec des capteurs à effet Hall pour mesurer des courants AC/DC faibles : par exemple 20 mA, en étant complètement isolé et avec une résistance interne la plus faible possible, quelques mohm.jpg, si possible.

Le problème du capteur à effet Hall, c'est sa relative faible sensibilité : pour mesurer des courants de 20 A, tout va bien. Pour mesurer des courants de 20 mA, c'est un autre problème...

Nous avons fait des essais avec des capteurs à effet Hall linéaire d'un type très courant 3503 (Attention : il existe aussi des capteurs à effet Hall avec sortie tout ou rien).

Le 3503 est aussi très économique : les 10 pour 1.20 € (port compris).

On peut l'alimenter de 4.5 V à 6 V. (2.5 V à 8 V pour certains modèles)

Il consomme environ 9 mA.

Sa bande passante annoncée est de 23 kHz mais on atteint presque 30 kHz à la mesure..

Sa tension de sortie est de 2.5V au en l'absence de champ, elle est proportionnelle au champ magnétique entre 1 V à 4 V.

L'impédance de sortie est de 50 ohm.jpg.

Le boîtier fait environ 1mm  d'épaisseur.

hall01.jpg

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Réalisation :

Pour pouvoir mesurer des courants faibles (électroniques) de, par exemple, 20 mA DC ou AC, nous avons :
- Récupéré, sur une ancienne alimentation de PC tour, une ferrite avec son bobinage (en fait, 2 bobinages que nous avons connectés en série). Il y a donc deux fois 35 spires de fil d 0.8 mm.

Nous avons créé un entrefer à la meule électrique dans lequel nous avons inséré deux capteurs 3503 (collés au silicone) à effet Hall reliés en "antisérie" (la pile 9 V donne l'échelle), (l'ancienne ferrite à coté était trop petite : trop de résistance)

hall04.jpg

Quand le champ magnétique augmente, la tension de sortie d'un capteur diminue pendant que celle de l'autre augmente et réciproquement.

Nota : une astuce pour insérer les capteurs : il faut le faire montage sous tension et avec un courant constant, 1 A par exemple.

Et déplacer les capteurs jusqu'à avoir la plus grande tension différentielle : ce qui veut dire que les capteurs sont placés là où le champ magnétique est maximum (mais la position n'est pas très critique).

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Mesures en courant continu :

La résistance de la bobine est mesurée (sous 1 A) à 35 mohm.jpg :  c'est beaucoup mieux que les 522 m
ohm.jpg de la ferrite précédente, plus petite et  visible sur la photo et c'est ce qu'on voulait (moins de 50 mohm.jpg).
(Et on pourrait faire mieux en mettant du fil encore plus gros, ici, nous avons conservé le bobinage d'origine).

On injecte, avec une alimentation de labo et une résistance de puissance, exactement 1 A dans le dispositif. 

(Après avoir mesuré le 0 et injecté un courant, on mesure de nouveau le 0 pour détecter un éventuel effet mémoire : une aimantation résiduelle...)

Intensité               V1            V2            V2-V1

0 A                        2.450 V   2.406 V   +43.2 mV

+1 A                     3.278 V    1.672 V   - 1.605 V

0 A                        2.450 V   2.406 V    +43.0 mV

-1 A                      1.672 V   3.175 V    - 1.511 V

0 A                        2.449 V   2.408 V    +40.9 mV

Nota : évidemment, plus faible est la "déviation" du capteur, meilleure sera la linéarité, plus mauvais sera le rapport signal/bruit...

- Il y a très peu de dispersion d'offset et, a priori, pas d'aimantation résiduelle.

- La résistance de la bobine est relativement faible : 35 mohm.jpg (Il reste de la place)

- Il y a un peu d'asymétrie (mais les capteurs, qui n'étaient pas encore collés, ont bougé pendant la mesure)

Tout compte fait, l'offset à l'air assez stable... Mais un réglage d'offset externe est sans doute indispensable...

Le bruit efficace mesuré sur chaque sortie (milivoltmètre Leader LMV-87A) est de 1.2 mV.

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Contre-réaction :

Pour améliorer les performances du système : précision, linéarité, nous installons une contre-réaction : on rajoute environ 200 tours de fil de d = 0.35 (pour la contre réaction, la résistance n'est pas très critique).

On remplit la ferrite : 

hall05.jpg

La deuxième couche a une résistance de 3.1 ohm.jpg. Si on rajoute un résistance de shunt de 1 ohm.jpg, la résistance vue par l'amplificateur sera d'environ 4 ohm.jpg, ce qui paraît pas mal....


Mesures en courant continu :

- La résistance de la deuxième bobine est mesurée (sous 1 A) à 3.1 ohm.jpg

- On injecte un courant faible (quelques mA) dans la première bobine
- On injecte un courant très faible dans la deuxième bobine pour annuler le champ mesuré en différentiel sur les deux sorties des capteurs à effet Halll
Mesures :
Courant mesuré    Courant injecté
+ 10 mA                    1.1 mA
+ 20 mA                    2.4 mA
+ 30 mA                    3.7 mA
+ 40 mA                    4.8 mA
- 10 mA                     -1.2 mA
- 20 mA                     -2.5 mA
- 30 mA                     -3.8 mA
- 40 mA                     -4.9 mA


On utilise un amplificateur opérationnel OPA2132 :
hall06.jpg

Contre réaction : un OPA2132 avec 2 transistors de puissance reliés à la bobine de contre-réaction, le tout alimenté en +- 5 V :


hall08.jpg

L'ensemble accepte un courant maxi de +- 1 A avant saturation.
Avec un réglage d'offset avec un potentiomètre 10 tours.
Et une deuxième sortie 100mA/V, filtrée à 3 kHz.

Mesures :
Le montage consomme +40 -30 mA.
Intensité        Tension sortie BNC
injectée            V                 
A
0                        0.1 mV                          
0.2                     0.205
0.4                     0.410
0.6                     0.616
0.8                     0.826
1.0                     1.035
1.2                     1.23 (saturation)

0                        0.2 mV
-0.2                   -0.207
-0.4                   -0.410
-0.6                   -0.619
-0.8                   -0.829

-1.0                   -1.031
-1.2                    -1.085 (saturation)


Les performances du montage sont remarquables !
Il faudrait diminuer très légèrement la résistance de sortie BNC de 7.7
ohm.jpg (il faut rajouter 200 ohm.jpg en //).
Un réglage d'offset est nécessaire.
Le temps de montée est de 1.5 µs.
Le bruit de sortie est de 20 µV RMS (Leader).
On rajoute une capacité de 220 nF aux bornes de la BNC pour limiter la bande passante autour de 100 kHz :
Le bruit diminue beaucoup et le temps de montée passe à 3 µs.

Le circuit en cours de fabrication :
hall09.jpg
.
C'est assez simple, très linéaire, assez rapide, peu de bruit, isolé et sensible : on peut mesurer jusqu'au mA (après avoir fait le 0).
(Le montage consomme pas mal, mais il est destiné à être alimenté par le secteur).
Le seul problème c'est l'offset....
(Un offset automatique avec un relais qui déconnecte l'entrée pour la mettre en court-circuit et mémoriser ?... compliqué...)

La sonde terminée et calibrée dans son boîtier :
- Interrupteur vers le haut : sensibilité élevée : 0.1 A/V, bande passante 3 kHz saturation vers +- 500 mA
- Interrupteur vers le bas : sensibilité normale : 1 A/V, bande passante 50 kHz saturation vers +- 5 Ahall10.jpg
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That's All, folks !

Des idées, des suggestions ?
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29/03/2020