Ampli instrumentation et mesure courant shunt

[crokrodil]

Bonjour,

Pour un projet nous avons besoin de mesurer la puissance aux bornes d'une charge résistive de 1,5 ohms. Pour cela nous voulons utiliser l'ADE7912 d'Analog Devices (ADC isolé) qui intègre la mesure du courant et la mesure de tension de la charge.

L'alimentation du montage se fait en 12V et la régulation de puissance en PWM (µContrôleur) via un MOSFET-N.

La différence max entre les 4 entrées (IP, IM, VP, VM) de l'ADE7912 et GND ne doit pas dépasser +/- 2V.
Nous avons donc décidé de faire la mesure de courant à travers un ampli d'instrumentation monté sur une breadboard pour les tests :
Capture2.PNG

(sur le schéma le symbole n'est pas le bon mais peu important : INA217 entre +12V et GND, référence à GND, et Gain = 1)
la charge fait 6,8 ohm et le courant est proche de 2A, donc la différence de potentiel aux bornes du shunt est faible.

Problème : dès la mise sous tension l'INA217 chauffe excessivement et sa tension de sortie ne varie pas (environ 1,3V), même si on retire la charge (le courant qui traverse le diviseur de tension est négligeable comparé aux 2A avec charge)

Quelqu'un aurait-il une explication de pourquoi l'ampli chauffe (les branchements me semblent ok) et éventuellement une solution?

Merci
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[DAUDET78]

Quelqu'un aurait-il une explication de pourquoi l'ampli chauffe

Sans un lien WEB sur la datasheet de l'ampli .....
Où est l'INA217 ?

[antek]

Quelqu'un aurait-il une explication de pourquoi l'ampli chauffe (les branchements me semblent ok) et éventuellement une solution?

Lequel des deux schémas est le bon ?

[crokrodil]

Bonjour,

La doc de l'INA217 se trouve ici
et tant qu'on y est celle de l'ADE7912 ici

Et il y a eu une petite erreur avec ma pièce jointe, je l'ai modifié et la reposte ici


Normalement l'INA217 peut être alimenté en single supply, et comme la différence de potentiel est toujours > 0V ça ne devrait pas poser de problème. Idem elle sera toujours < 12V.
Je ne veux pas d'offset en sortie donc la référence (pin 5) est reliée à la masse.

Comme l'entrée IM de l'ADC est reliée à la masse et que la différence entre IP et IM ne doit pas dépasser 30mV, alors la tension de sortie (pin 6) de l'INA217 doit toujours être inférieure à 30mV.

Vshunt(max)=Rshunt*I(max) donc Vshunt(max)=0.002*10 = 20mV. inférieur à 30 mV donc ok avec un Gain de 1 <=> Rg non connectée (entre pin 1 et 8 de l'INA217).

Si je dis pas de bêtise l'INA217 accepte sur ses entrées des tensions allant jusqu'à Vcc, enfin je l'espère car V+ est reliée directement à 12V, et V- en est très proche.
Nous avons pensé à déplacer le shunt entre la charge et le MOS, mais le problème sera strictement le même : Commande PWM donc MOS ouvert, on retrouve approximativement 12V sur le shunt...

Merci

[A voir en vidéo sur Futura]

[DAUDET78]

Normalement l'INA217 peut être alimenté en single supply,

Oui, mais il n'accepte pas que ses entrées soient portées à la tension des rails d’alimentation. Donc ton schéma ne marche pas, car hors spécification .

Je n'ai pas totalement regardé la datasheet du ADE7912, mais je pense qu'on peut l'utiliser directement sans problème (en mettant le shunt dans la source du NMOS).

Par contre, je me pose des questions sur le bien fondé de l'utilisation du ADE7912.
Tu as une charge résistive. Donc , si celle-ci ne change pas trop de valeur avec la température, la seule mesure de la tension ou du courant permet de calculer la puissance dissipée.

Par curiosité, le PWM est à quelle fréquence ?

PS : Dans ton schéma (si il marchait !) , tu mesures la puissance dissipée dans la charge ET dans le NMOS . Faudrait faire un schéma plus futé pour éviter cette erreur systématique .

[crokrodil]

Oui, mais il n'accepte pas que ses entrées soient portées à la tension des rails d’alimentation

Ils auraient pu le faire rail-to-rail IN et OUT! :P J'avais que cette référence sous la main, j'ai une commande qui devrait arriver demain (AD623 et quelques autres). On pourrait le monter à 15V avec un petit DC/DC mais ça fait de l'encombrement en plus, à voir donc

Je n'ai pas totalement regardé la datasheet du ADE7912, mais je pense qu'on peut l'utiliser directement sans problème (en mettant le shunt dans la source du NMOS).

En général je mets toujours la source à la masse, mais c'est vrai que la chute de tension devrait être assez faible pour que le Vgs reste bon sans avoir à utiliser un driver élévateur pour la commande de grille.

Par contre, je me pose des questions sur le bien fondé de l'utilisation du ADE7912.
Tu as une charge résistive. Donc , si celle-ci ne change pas trop de valeur avec la température, la seule mesure de la tension ou du courant permet de calculer la puissance dissipée.

Dans notre application on peut connecter deux types de charges sur le même connecteur, 7 ohms ou 1,5 ohms. De plus l'alliage de l'élément chauffant a une forte dérive avec la température, c'est d'ailleurs pour cela qu'il avait été choisi à la base, contre nos indications... L'équation nous est donnée, et un thermocouple intégré permet de donner la température exacte, mais par sécurité nous mesurons également la puissance (avec une tolérance moins critique que la température).

Par curiosité, le PWM est à quelle fréquence ?

Assez élevée, d'où l’intérêt d'isoler la partie logique et puissance! commuter 10A c'est un challenge (c'est pas écrit comme ça dans le cahier des charges), et heureusement pour nous le rayonnement entre dans la juridiction des mecs de la CEM!

PS : Dans ton schéma (si il marchait !) , tu mesures la puissance dissipée dans la charge ET dans le NMOS . Faudrait faire un schéma plus futé pour éviter cette erreur systématique .

On est encore au stade proto, on a estimé que la perte serait négligeable (on veut une estimation de la puissance), en plus la commutation risque d'engendrer d'autres complications pour la mesure... Si jamais on constate que c'est nécessaire on prévoira un ampli d'instrumentation, et vu qu'on aura pas le choix de se trouver avec du 12V, le DC/DC de 15V du premier point sera justifié

Merci encore pour ces réponses

[DAUDET78]

En général je mets toujours la source à la masse, mais c'est vrai que la chute de tension devrait être assez faible pour que le Vgs reste bon sans avoir à utiliser un driver élévateur pour la commande de grille.

Ton FSA66, c'est un switch analogique !

Assez élevée, d'où l’intérêt d'isoler la partie logique et puissance!

Ce n'est pas une réponse !
Mais tu risques d'avoir un sacré problème de battement entre la fréquence du PWM et la fréquence d’échantillonnage du ADE7912

Si jamais on constate que c'est nécessaire on prévoira un ampli d'instrumentation

Qui passera le Assez élevée ?

Perso, je pense que tes choix technologiques ne tiennent pas la route. Mais ce n'est que mon avis .

Ca sert à quoi cette manip ? Ca sent le labo CNRS .....

[antek]

Un INA de la série 210 ne serait pas plus simple ?

[crokrodil]

Ton FSA66, c'est un switch analogique !

Oups! j'utilise un AUIRFZ44

Mais tu risques d'avoir un sacré problème de battement entre la fréquence du PWM et la fréquence d’échantillonnage du ADE7912

On utilise la pin "CLOCKOUT" pour la synchro, avec un diviseur de fréquence, on a prévu un échantillonneur/bloqueur qu'on montera sur la maquette actuelle si il le faut, mais on veut un PCB compact donc si une acquisition à 1 kHz est assez rapide on s'en passera.

Ca sert à quoi cette manip ? Ca sent le labo CNRS

On est une entreprise privée, mais on sous-traite pour un labo de biologie. Les éléments chauffants sont faits sur-mesure (biocompatible et résistant à des solutions faible pH) et à usage unique.

Quant à la fréquence de la PWM, 1 kHz ou 20 kHz selon la manip. On leur a expliqué que switcher du 10A ça allait rayonner, et que ce serait compliquer de monter à plus de 10 kHz, mais ils ont des consultants en CEM qui devraient se charger de l'intégration et des modifs (quand on sait comment se passent les certif CEM ça fait peur, surtout l'alimentation secteur dans laquelle ils envoient un bruit blanc...), bref ils nous ont fourni le filtre réseau et l'alim.

Le boîtier existe déjà mais ils aimeraient pouvoir le réduire au maximum (boitier alu de 10 mm d'épaisseur usiné dans un bloc, il veut pas se sauver) donc en théorie on a de la place mais plus on pourra isoler les parties puissance, signaux logiques et signaux analogiques, mieux ce sera.

Perso, je pense que tes choix technologiques ne tiennent pas la route. Mais ce n'est que mon avis

On est au stade proto, et vu le cahier des charges, on préfère faire simple et devoir ajouter des éléments au fur et à mesure, on a une 30aine de point de tests, résistances 0ohm entre tous les blocs, une 2 zones où on peut souder des composants traversants ou CMS, plans de masse et alim isolés selon le type de signal, des optocoupleurs, convertisseur DC/DC isolés, des capa 10uF//100nF//470pF low ESR sur tous les rails d'alim de chaque composant.

Un INA de la série 210 ne serait pas plus simple ?

Effectivement ça pourrait nous aider

encore merci

[DAUDET78]

Oups! j'utilise un AUIRFZ44

Qui demande un signal grille de 0/10V

Laisse tomber ton usine à gaz ADE7912

- Tu imposes une tension
- Tu mesures le courant dans la résistance avec un poil de déphasage par rapport au PWM

Ton µC fait l'acquisition du courant avec un shunt dans la source du NMOS (et au besoin de la tension si elle est amenée à varier) et c'est torché

PS : avec une commande par un PMOS, tu le retires de la boucle de mesure.

[antek]

Effectivement ça pourrait nous aider

Oui . . . bon . . .
D'autant plus que vous avez pas besoin d'un ampli d'instrumentation.

[Antoane]

Bonjour,

Quant à la fréquence de la PWM, 1 kHz ou 20 kHz selon la manip. On leur a expliqué que switcher du 10A ça allait rayonner, et que ce serait compliquer de monter à plus de 10 kHz, mais ils ont des consultants en CEM qui devraient se charger de l'intégration et des modifs (quand on sait comment se passent les certif CEM ça fait peur, surtout l'alimentation secteur dans laquelle ils envoient un bruit blanc...), bref ils nous ont fourni le filtre réseau et l'alim.

Tu peux ajouter une inductance en série (voire un filtre LC complet), ça devrait améliorer les choses en rendant propre toute la boucle. La quasi-seule source de bruit devient alors la boucle de commutation, qu'il est "simple" de gérer.
Et hop, tu peux découper à 1MHz avec des temps de monté de 20 ns avec 95% de rendement...

[bobflux]

Il y a plein d'amplis high-side comme le MAX4376 par exemple, mais le plus simple est de mesurer dans la masse. L'utilité de l'ADC isolé est douteuse aussi, vu qu'il faut synchroniser l'ADC avec le PWM...

Si tu as peur du rayonnement, tu as deux solutions:

1- utiliser un PWM lent, adoucir les commutations du MOS, et rajouter un filtre ferrite-capa en sortie

Cela diminue le rayonnement HF (harmoniques du PWM), mais pas le champ magnétique BF induit par tes fils (fonamentale du PWM)

2- Faire une source de courant buck: switcher à 250kHz ou plus, et rajouter un LC en sortie.
Le truc sort un courant DC. Les harmoniques HF sont plus compliqués à éliminer que précédemment, mais tu n'as pratiquement plus de fondamentale BF.

[bobflux]

J'avais oublié:

Quand tu as une boucle parcourue par un courant variable, la quantité de saloperies qu'elle va émettre dépend de la taille de al boucle et du dI/dt...

Si la charge est, par exemple, une résistance de chauffage, ou autre machin assez gros, avec des fils, etc, ça peut coupler avec un circuit sensible à proximité. Si ton but est réellement de générer le moins de bruit possible, il faut mettre tout ça à l'étude. C'est toujours mieux d'y penser avant que de rajouter du sparadrap après...