Fabriquer une sonde de courant isolée AC/DC


Mesurer un courant, sans perturber le circuit, n'est pas toujours facile (on peut utiliser une pince ampéremétrique), le faire aussi en DC est plus problématique.

Ou alors, il faut utiliser des pinces ampéremétriques DC coûteuses.

Si on veut être parfaitement isolé, pour mesurer le secteur par exemple, comment faire ?

Et en plus, on souhaite une très faible résistance de shunt : quelques mohm.jpg...

Et tout ça pour quelques euros seulement !

Le composant clef pour cette réalisation est le circuit intégré à Effet Hall ACS712 de chez Allegro.

Ce petit circuit intégré en boiter CMS SOIC8 incorpore un shunt en cuivre disposé juste au-dessus d'un capteur à effet Hall.

Il permet la mesure du courant +-10 A AC/DC jusqu'à 80 kHz avec une isolation de plus de 2000 V...

sonde01.jpg

Nous avons acquis ce module de base pour 2 € (port compris) :

sonde02.jpg

Nous souhaitons améliorer ce module pour :

- Avoir une sortie symétrique avec un vrai 0 : Vout=0 si i=0, Vout négatif si i négatif, Vout positif si i positif.

- Augmenter la sensibilité à 1 V/A beaucoup plus pratique pour les mesures : +-10 A -> +-10 V.

- L'installer dans un petit boîtier avec entrée en embases pour fiches bananes et sortie BNC.

Nous l'avons entouré avec le schéma suivant :

sonde03.jpg

.

Le tout est alimenté par une alimentation extérieure 12 V via une embase Jack. Une résistance et une Led. Un régulateur 78L05 pour alimenter le module. Un ICL 7660 pour fabriquer le -12 V indispensable pour une sortie symétrique. 

Et un bon ampli op : Burr Brown BB2132 avec une sortie "rail to rail". Et un réglage d'offset externe.

Voici les composants : le boîtier (provisoire) est un peu grand et un peu ancien, on voit bien le multitours de réglage d'offset externe, Des fils de cuivre de 1.5 mm² pour relier directement les embases aux bornes du circuit intégré :

sonde04.jpg

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Le boîtier assemblé et fermé, avec les deux embases bananes pour le courant, le multitours de réglage d'offset, l'embase Jack 12 V avec la Led et la BNC de sortie...
(A noter une erreur sur l'étiquette : il faut lire 2 mohms au lieu de 12 mohms) :
sonde05.jpg
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En utilisation sur une alimentation limitée à 3 A :

sonde06.jpg
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Le même courant à l'oscilloscope :

sonde09.jpg
.

Le bruit de fond de la sonde en l'absence de courant :
sonde07.jpg
.


Le courant consommé par le moteur d'un aspirateur :

sonde11.jpg
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Le courant d'une pile 1.5 V en court-circuit (1.4 A) :
sonde12.jpg
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Le courant d'un convecteur (résistance pure) : Le sinus est "propre"
sonde13.jpg

La tension (en haut) et le courant (en bas) d'un petit ampli audio qui débite sur une résistance de 15 
ohm.jpg, signal carré 1 kHz (pas terrible, l'ampli audio...)
Mais le courant "suit bien" la tension... (et la photo est floue)
sonde14.jpg

Et enfin, le temps de réponse (2 µs) de la sonde à une augmentation "instantanée" de courant (filtrage 8kHz Off):
sonde15.jpg
.

Et voilà, pour quelques euros, une sonde de courant 2 m
ohm.jpg, AC/DC, +-10 A, 100 A pointe, 1 A/V, isolée à plus de 2000 V. Pas si mal...
On peut donc mesurer un courant moteur sur secteur en toute sécurité ou le primaire d'une alimentation à découpage sans perturber le circuit...
On peut aussi alimenter le circuit avec une pile 9 V intérieure avec un courant maxi mesurable limité à +- 8 A (par la tension de la pile)
La sonde génère un peu de bruit. Il faut aussi éviter de l'approcher trop près d'un aimant ou d'un système qui génère un fort champ magnétique...
L'offset de la sonde dépend de l'orientation du boîtier à cause du champ magnétique terrestre, ce qui impose un réglage d'offset externe.
(Selon l'orientation du boîtier, l'offset varie de l'équivalent de +-40 mA environ)

Pour limiter le bruit de sortie, nous avons ajouté un filtre commutable à 8 kHz : une capacité de 220 pF en série avec un interrupteur à levier, le tout en parallèle sur la résistance de contre-réaction de l'amplificateur opérationnel :
sonde16.jpg

Le boîtier avec le filtre :
sonde17.jpg
.
Le signal de sortie en l'absence de filtre : normal (en haut)  et filtré (en bas) 8 kHz :
sonde18.jpg

Améliorations :
En dehors du filtre commutable 8kHz, vu le coût des modules ACS712, nous allons en installer un 2e dans le boîtier, en série avec le premier mais dans le sens inverse (Quand le courant est positif, la tension est supérieure à 2.5 V à la sortie du module du haut et inférieure dans le module du bas), et dans la même orientation que le 1er.
La sortie du 2e module alimentera l'entrée positive de l'ampli op à la place du pont diviseur)
- La résistance interne va passer de 2 à 4 m
ohm.jpg mais c'est de toute façon très faible
- On va doubler la sensibilité
- On va améliorer le rapport signal/bruit de racine(2)
- On va compenser les variations du champ magnétique terrestre
- On va partiellement compenser les dérives d'offset et de température

Schéma du nouveau montage repensé (pour faciliter les réglages : l'inverseur, l'amplificateur et l'offset sont indépendants )avec un courant simulé de 5A :
sonde19.jpg
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Et la réalisation dans le même boîtier :
sonde20.jpg
.
Mesures :
Ça marche plutôt bien.
L'offset se règle facilement à peu près de +- 200mV.
On a ajusté la résistance sur la sortie (10k
ohm.jpg // 39kohm.jpg) pour avoir une mesure exacte.
Les mesures DC et AC vont suivre...

A suivre...

That's All, folks !

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10/05/2020