Mesure de courant sur une tension négative

[invite7a39c3be]

Bonjour à tous !

Je sollicite votre aide pour réaliser une mesure de courant sur une tension négative. J'ai une alimentation qui fournit diverses tensions variant entre -15V et +15V, afin de surveiller et de garantir le bon fonctionnement de cette alimentation, les tensions et courants de chaque sortie doivent être mesurés. Les courants de sorties sont de l'ordre de quelques centaines de mA.


Voici quelques restrictions (sinon ça ne serait pas drôle ) :
Le système de surveillance est, pour le moment, alimenté avec une seule tension de +5V, donc les AOP sont alimentés entre 0V et +5V.
Les "current transducers", genre LEM ou les circuits de mesures magnétiques ne peuvent pas être utilisé.


Si vous avez des solutions à proposer, elles seront les bienvenues, y compris les idées farfelues.

Merci beaucoup.
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[invite5637435c]

les circuits de mesures magnétiques ne peuvent pas être utilisé.

Bonjour,

étrange et pourquoi donc?

[invite7a39c3be]

Car je n'ai pas trouvé de composants du genre qui soient certifiés

Je n'ai pas trouvé de solution pour le moment et je ne suis pas sûr qu'il en existe une mais je sais que certaines personnes sur le forum ont une très grande expérience de l'électronique et que peut être qqun aura une idée.

NB: Toutes les masses sont connectées ensemble il n'est donc pas possible de mesurer le retour avec un AOP rail2rail par exemple.

[invite5637435c]

Je n'ai pas trouvé de solution pour le moment et je ne suis pas sûr qu'il en existe

Il suffit de demander

Va voir chez Melexis et regarde le circuit MLX91206, j'avais commencé à en parler et puis par manque de temps....

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite7a39c3be]

Vraiment sympa ce petit bidule ! Merci beaucoup de l'info, je vais mettre la datasheet de coté.

Par contre, pour ce projet c'est mort, il ne réponds pas aux certifications.

[invite5637435c]

C'est quoi tes certifications?
J'en ai l'usage pour des milieux difficiles et je n'ai jamais rencontré de difficulté d'homologation avec ce composant.

[invite5637435c]

Je vois que tu es Suisse, ça tombe bien Melexis est installé chez toi

[invite7a39c3be]

C'est quoi tes certifications?

Les pires que tu puisses trouver, l'enfer de l'électronicien... Certification pour le spatial (Radiations, fiabilité, et tous les autres)
Faire une certification ça coute un bras (voir même deux ou trois) et ça prends un temps fou du coup si c'est pas déjà certifié, on n'utilise pas.

J'ai trouvé une technique en mettant un shunt et un optocoupleur en parallèle mais il y aura env. 2V de chute de tension, ça ne le fait pas trop. Je crains devoir ajouter un -5V...

[invite5637435c]

Tu peux pas coller un INA138?
Sinon tu livres avec deux douilles et un ampèremètre

[Tropique]

Les pires que tu puisses trouver, l'enfer de l'électronicien... Certification pour le spatial (Radiations, fiabilité, et tous les autres)
Faire une certification ça coute un bras (voir même deux ou trois) et ça prends un temps fou du coup si c'est pas déjà certifié, on n'utilise pas.

J'ai trouvé une technique en mettant un shunt et un optocoupleur en parallèle mais il y aura env. 2V de chute de tension, ça ne le fait pas trop. Je crains devoir ajouter un -5V...

Est-ce que tu as le droit d'utiliser le fait que le rail que tu monitores est au -15 (ou du moins à -quelquechose, indépendamment de la valeur), ou bien faut-il pouvoir rapatrier une valeur dans n'importe quelles conditions?
Et quel est l'ordre de grandeur de la précision demandée?

[invite7a39c3be]

@Tropique: Si j'ai bien compris, si j'ose utiliser le rail -15V pour alimenter mon AOP par exemple ? Non, le système de surveillance ne doit pas dépendre d'une des valeurs qu'il mesure. J'ai actuellement que +5V à disposition, j'ai tester 2-3 trucs et je devrais aussi pouvoir avoir un -5V.
Pour la précision, on fera du mieux qu'on peut, mais c'est pas le plus important (c'est un over current detector/limiter).

xxxxxxxxxxxxxxxx supprimé a la demande du posteur

[Tropique]

@Tropique: Si j'ai bien compris, si j'ose utiliser le rail -15V pour alimenter mon AOP par exemple ?

Non, sans même aller jusque là: par exemple pour employer un système de translation de tension qui pourra fonctionner tant que le rail négatif est à un potentiel compris entre -1 et -50V (pour fixer les idées, ça pourrait être plus ou moins)

[invite7a39c3be]

Tropique, je m'excuse mais je ne suis pas sûr de comprendre, aurais-tu un schéma ?
Merci

[Tropique]

Voici un exemple: la cellule de mesure de courant Q1/Q2 est "passive", et alimentée par le +5V. Le résultat est récupéré, et référencé à la masse dans ce cas-ci (d'autres options seraient possibles).

La sim montre le résultat (bleu), lorsque le courant varie entre 0 et 1A (vert), en présence d'une perturbation sur le rail -15V (qui varie entre -5 et -25V, rouge).


La seule condition pour que cela fonctionne est que le rail négatif soit négatif. Bien sûr, ce n'est qu'un exemple: avec un autre référencement, on pourrait même tolérer des tensions légèrement positives, les miroirs de courant pourraient être raffinés pour rejeter plus complètement la tension d'alim, etc etc

[invite7a39c3be]

Miam ! Un montage de transistors, ça fait un moment que j'en ai pas vu :P
Avant tout merci beaucoup à toi pour ton schéma et ta simulation

A première vue, je ne vois rien qui poserait problème, on influence presque pas le rail de tension, de toute façon le shunt on y coupe pas, et le système de mesure n'est pas dépendant du rail.

Par contre j'aurais besoin d'un peu d'aide pour comprendre ton montage, ça fait un petit moment que je n'ai pas pratiqué le bipolaire.

J'ai reconnu le miroir de courant (Q1, Q2, R4, R3) avec le quel tu fais une translation de tension c'est bien ça ?
Il y a la source de courant pour la référence du miroir formé avec Q5, Q4, R6 et R1 et on a Iref= 0.7V / R6. Le miroir est équilibré donc on retrouve Iref sur le collecteur de Q1. A partir de la je suis un peu perdu avec Q3 et Q6 peux-tu m'aider ?

Merci d'avance

[Tropique]

Miam ! Un montage de transistors, ça fait un moment que j'en ai pas vu :P

Idéalement, les transistors peuvent faire partie d'un array, qui garantira un bon appariement et un bon tracking, et sera plus compact que des transistors individuels

A première vue, je ne vois rien qui poserait problème, on influence presque pas le rail de tension, de toute façon le shunt on y coupe pas, et le système de mesure n'est pas dépendant du rail.

Les valeurs peuvent être ajustées; c'est juste un exemple passe-partout, avec shunt de 1 ohm, etc.
Avec un array, le bon matching permettrait de diminuer la valeur du shunt pour un même courant sans perdre en précision. D'autre part, le niveau de courant est de ~100µA: on peut diviser par 10 ou par 100 sans affecter le fonctionnement et les performances, le seul impact éventuel serait une plus faible immunité aux perturbations.
A l'opposé, on peut aussi l'augmenter, mais pas trop sinon l'auto-échauffement va causer des erreurs

J'ai reconnu le miroir de courant (Q1, Q2, R4, R3) avec le quel tu fais une translation de tension c'est bien ça ?
Il y a la source de courant pour la référence du miroir formé avec Q5, Q4, R6 et R1 et on a Iref= 0.7V / R6. Le miroir est équilibré donc on retrouve Iref sur le collecteur de Q1. A partir de la je suis un peu perdu avec Q3 et Q6 peux-tu m'aider ?

Q6 n'est pas vraiment indispensable; il améliore la précision en cascodant Q4, ce qui l'isole des variations du rail à mesurer et égalise les tensions de collecteur de Q3 et Q4 pour éliminer les erreurs causées par effet Early.

Q3 génère un courant identique à celui de Q4; comme il se soustrait au courant mesuré envoyé par Q1, cela élimine la variable "courant de polar" de l'équation finale de la tension de sortie, qui ne dépend en première approximation que du courant passant dans le shunt (tant que la polar assure une dynamique suffisante au montage.

Enormément de variantes sont possibles sur ce théme: je voulais surtout montrer le principe de la translation d'une info d'un rail à l'autre, les détails de l'implémentation vont dépendre de beaucoup de variables, notamment la précision souhaitée.

Si on ne veut pas de raffinements comme le formatage, le signe, les compensations, on peut faire plus simple: ici, la mesure est rapatriée avec le signe négatif et référencée à 2.5V. La source de courant sert juste à polariser le transistor de compensation. La dépendance vis-à-vis de la température et la linéarité seront moins bonnes, mais c'est peut-être acceptable. Il serait même peut-être tolérable de polariser le transistor par une simple résistance.
A l'inverse, si on veut plus de précision, de linéarité et de réjection, on peut compliquer plus le circuit, il y a une infinité de variations possibles, à toi de choisir ce qui convient à tes besoins.

[invite7a39c3be]

Merci pour tes explications, tu maitrises visiblement très bien le sujet

je vais essayer de dimensionner ta solution à mon application, en me basant sur ton premier schéma.

Dans mon cas, la précision de la mesure ne devrait pas dépasser +/-1%, le courant dans le rail est de quelques mA (env. 5mA) ou une centaine de mA selon le rail, la chute de tension sur le shunt tolérable est d'au maximum 100mV. La tension sur le rail ne varie très peu, sauf s'il est coupé (logique ) par contre la dépendance à la température dois être réduite au minimum. La tension de sortie doit être à 2.5V pour I_nominal et 0V si on a 0A.

J'ai actuellement à disposition, deux grands classiques, un NPN (2N2222), un PNP (2N2907) ainsi qu'un bon AOP Rail2Rail alimenté en 0 et 5V.
Si besoin, je peux réaliser une source de courant (quelques centaines de uA) qui a fait ses preuves avec un AOP.

Si tu as des conseils ou une solutions à proposer je suis de toute ouïe.
Merci

[invite936c567e]

Bonjour

On trouve ici et là des AOP et des sondes de courant acceptant des tensions d'entrée dépassant les tensions d'alimentation.

Un exemple par ici (alim 0-5V, sortie rail-to-rail, entrée jusqu'à -20V...).

[Tropique]

Merci pour tes explications, tu maitrises visiblement très bien le sujet

je vais essayer de dimensionner ta solution à mon application, en me basant sur ton premier schéma.

Dans mon cas, la précision de la mesure ne devrait pas dépasser +/-1%, le courant dans le rail est de quelques mA (env. 5mA) ou une centaine de mA selon le rail, la chute de tension sur le shunt tolérable est d'au maximum 100mV.

Ce sont des exigences très sévères: une précision de 1% va demander des résistances et un shunt à 0.1%, et s'il faut conserver une précision du % à 5mA, il faudra un circuit beaucoup plus complexe que ça, et plusieurs ajustages.
Si c'est la précision sur 100mA, il faudra au moins des transistors multiples, MPQ2222 et MPQ2907 p.ex., screenés en tension d'offset

J'ai actuellement à disposition, deux grands classiques, un NPN (2N2222), un PNP (2N2907) ainsi qu'un bon AOP Rail2Rail alimenté en 0 et 5V.
Si besoin, je peux réaliser une source de courant (quelques centaines de uA) qui a fait ses preuves avec un AOP.

C'est probablement préférable vu la précision que tu demandes; à condition que ton AOP ait un offset <0.2mV, sinon ce n'est pas très utile.
Il faudra probablement également passer à un miroir de courant plus évolué, à 3 ou 4 transistors.
La résistance R2 fixe le gain, pour un gain de ~25 elle devra valoir environ 270K, mais ça risque d'être difficilement gérable, il faut faire des calculs et des simulations pour voir si c'est tenable.

[invite7a39c3be]

Merci bien pour tes informations.
Je m'excuse du temps mis pour répondre, j'ai du m'occuper d'un autre projet, je viens de reprendre le fil.

Herm... j'ai peux être eux les yeux plus gros que le ventre... si on ne peux pas faire mieux que 10% ça sera 10%, on est limité par les composants.

Pour les résistances en prenant en compte la variation de température: entre 10 et 100ohm on peut atteindre une tolérance de 0.5% et en dessus de 100ohm c'est un peu mieux, 0.3%.
Les transistors, il existe des arrays par exemple de 3 NPN + 2 PNP, 5 NPN ou 5 PNP qui sont certifiés.
L'AOP est mauvais, c'est plutôt 2mV que 0.2 ...

Donc si je ne dit pas de bêtises, si je peux avoir un miroir de courant quasi parfait, la précision ne dépendra que de la précision des résistances. Avec un miroir à 4 transistors on arrive à quelque précision entre les courants de chaque branches ?


@PA5CAL: Merci beaucoup, mais les composants doivent avoir une certifications pour le domaine spatial, ou au moins militaire et je n'ai rien trouvé de tel.

[Tropique]

Les transistors, il existe des arrays par exemple de 3 NPN + 2 PNP, 5 NPN ou 5 PNP qui sont certifiés.
L'AOP est mauvais, c'est plutôt 2mV que 0.2 ...

Donc si je ne dit pas de bêtises, si je peux avoir un miroir de courant quasi parfait, la précision ne dépendra que de la précision des résistances. Avec un miroir à 4 transistors on arrive à quelque précision entre les courants de chaque branches ?.

L'erreur sera vraisemblablement dominée par les offsets, de l'AOP et des transistors, sauf si tu prévois des réglages.

L'erreur d'un miroir à 4 transistors sera bien inférieure à celle des résistances ou des offset, ça doit être quelque chose en 1/β², ça doit se trouver sur le net si tu n'as pas envie de le calculer

[invite7a39c3be]

Me revoici avec quelques nouvelles, principalement pour clore le sujet avec une solution toute faite que je vais utiliser.

Suite aux conseils de Tropique, que je remercie, j'ai effectuer plusieurs simulations pour arriver aux conclusions : ça marche mais... pas aussi bien que je voulais. En fouinant un peu plus, j'ai fini par trouver ce que je voulais, un circuit qui fait le travail pour moi et qui à les qualifications requises : LT6105 (Precision, Extended Input Range Current Sense Amplifier). Si la roue existe... vous connaissez la suite

Comme c'est un élément de LT et qu'il se trouve dans LT Spice voici une petite simulation et pour le curieux allez consulter la datasheet


Merci à tous

[Tropique]

En fouinant un peu plus, j'ai fini par trouver ce que je voulais, un circuit qui fait le travail pour moi et qui à les qualifications requises : LT6105 (Precision, Extended Input Range Current Sense Amplifier). Si la roue existe... vous connaissez la suite

Comme quoi il faut d'abord bien éplucher ce dont on dispose déjà avant de chercher midi à 14h... même si c'est formateur