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Propriétés de transmission

Les propriétés de transmission demandées par un appareil pour la transmission des signaux sont définies par différents facteurs. Outre les exigences de précision et de vitesse de transmission des signaux, il convient également de prendre en compte les données d'entrée des appareils, les propriétés du signal à transmettre et les conditions ambiantes éventuellement.

3.1 Transmission de courant ou de tension

Les premiers critères à considérer pour choisir un amplificateur séparateur ou un convertisseur sont le signal d'entrée à traiter et le signal de sortie requis. Le signal de sortie est généralement déterminé par des appareils comme le régulateur, l'afficheur, l'API, le PLS, etc., sachant qu'un grand nombre de ces appareils possèdent des entrées de courant et de sortie alternativement.

Si les deux options sont disponibles, privilégier les signaux de courant, surtout pour les longues distances de transmission. Les signaux de courant normalisés sont nettement moins sensibles aux perturbations que les signaux de tension.

Transmission of a measurement signal over large distances
Figure 14 : Transmission of a measurement signal over large distances

 

3.2 Résistance d'entrée

Les résistances d'entrée des amplificateurs séparateurs modernes sont généralement dimensionnées de manière à être suffisamment élevées pour les entrées de tension et suffisamment faibles pour les entrées de courant afin que le signal à traiter ne soit pas soumis en pratique à une charge. La résistance d'entrée ne peut être un critère de choix pour l'amplificateur séparateur que dans de rares cas (très petits signaux de tension avec haute impédance de source ou signaux de courant à faible charge). La résistance d'entrée du VariTrans® P 41000, un amplificateur séparateur spécialement conçu pour des cas de shunt, est relativement faible (env. 100 kΩ) en comparaison avec d'autres amplificateurs séparateurs. Pour les situations de shunt dont la résistance est de l'ordre du mΩ, cette valeur reste encore supérieure de plusieurs puissances de 10 à la valeur requise.

3.2.1 Chute de la tension d'entrée

Pour certains amplificateurs séparateurs avec entrée de courant et pour les séparateurs sans alimentation, la charge du signal d'entrée n'est pas indiquée sous la forme d'une résistance d'entrée, mais comme une chute de tension. Dans le cadre d'un fonctionnement normal, cette chute de tension est constante et ne dépasse pas 500 mV pour les amplificateurs séparateurs actifs. Dans le cas des séparateurs passifs, on constate une chute de tension à l'entrée qui résulte du besoin de tension interne de l'appareil en sus de la tension de charge à la sortie. Avant d'utiliser des séparateurs passifs, il faut donc connaître la capacité de charge du signal de mesure et la charge raccordée à la sortie du séparateur. Les séparateurs passifs de Knick pourvus de la fonction Bürdenstop® font exception: le courant injecté côté primaire est maintenu sans effet rétroactif, indépendamment de la charge de sortie.

3.3 Capacité de charge de la sortie

La capacité de charge des sorties de tension est généralement identifiée par le courant maximal. Pour les sorties de courant, une valeur de résistance est indiquée par la grande majorité des fabricants pour la capacité de charge. Cette indication ne décrit pas de manière tout à fait exacte la capacité de charge des courants de sortie des amplificateurs séparateurs de Knick. C'est la raison pour laquelle la capacité de charge de sortie est ici indiquée "traditionnellement" comme une valeur de tension.

Une sortie de courant de 20 mA, dont la capacité de charge est de 10 V, peut par exemple supporter 2 kΩ à 5 mA ou 1 kΩ à 10 mA.

L'indication de la tension de charge maximale autorisée de 10 V est donc valable pour toutes les valeurs de courant, tandis que l'indication 500 Ω s'applique uniquement à 20 mA.

3.4 Précision de la transmission

De nombreux séparateurs Knick se distinguent par un taux d'erreur de transmission exceptionnellement faible. Les exigences de précision de presque toutes les applications existantes dans les techniques de mesure industrielles sont donc plus que satisfaites. La stabilité à long terme des séparateurs de potentiels de Knick garantit une précision de transmission maximale qui va au-delà de la garantie de cinq ans offerte pour les amplificateurs séparateurs et les convertisseurs de Knick.

3.4.1 Qualité de reproduction des signaux de mesure

Une transmission la plus fidèle possible du signal d'entrée est aussi nécessaire pour les applications de mesures. Les distorsions de signal lors d'un changement de polarité, les suroscillations en cas de changement de signal, les pentes en cas de transmission rectangulaire sont très courantes dans bon nombre d'amplificateurs séparateurs disponibles dans le commerce. Ces propriétés indésirables ne sont pas immédiatement identifiées par l'utilisateur. C'est seulement pendant le fonctionnement qu'il remarquera des erreurs de mesure souvent inexplicables à première vue. Lors d'un balayage numérique cyclique des valeurs de mesure, des distorsions des signaux peuvent par exemple causer d'importantes erreurs de mesure liées à des suroscillations. Les amplificateurs séparateurs de Knick sont donc conçus avec le soucis de garantir une transmission fidèle des signaux.

3.4.2 Ondulation résiduelle

De faibles tensions perturbatrices viennent se superposer au signal de sortie des amplificateurs séparateurs. Ces tensions perturbatrices sont causées par exemple par la fréquence du hacheur et par la pénétration du réseau. L'amplitude de cette tension perturbatrice désignée sous le terme d'ondulation résiduelle doit être la plus faible possible. Dans le cas contraire, des erreurs de mesure sont possibles, surtout dans le cas d'une faible modulation.

3.5 Coefficient de température (dérive de gain)

Le coefficient de température ou la dérive de gain est une indication de variation du gain causée par des variations de température. Les taux de dérive sont indiqués sous forme de grandeur relative en %/K, ou sous forme de valeur absolue, par ex. en nA/K ou μA/K. Si l'indication est une valeur absolue, vérifier si le CT se rapporte à l'entrée ou à la sortie.

Exemples :

– Le coefficient de température à la sortie d'un amplificateur séparateur est de 10 nA/K max. Une variation de température de 20 K entraîne une variation du courant de sortie de
   20 · 10 nA = 200 nA.

– Le CT d'un convertisseur est de 0,0025 %/K. Une variation de température de 20 K entraîne une variation du gain de
  20 · 0,0025%= 0,05 %.

3.6 Tension offset, courant offset

Dans les amplificateurs réels, la grandeur de sortie n'est pas tout à fait nulle lorsque le signal d'entrée est nul. La tension offset d'entrée d'un amplificateur est par définition la tension qui doit être appliquée à l'entrée afin que la grandeur de sortie soit nulle. Elle agit donc comme une tension d'entrée ou comme une tension supplémentaire agissant en série avec le signal d'entrée (cf. Fig. 15).

Tension offset
Figure 15 : Tension offset

 

Le courant offset d'entrée d'un amplificateur agit aussi comme un signal d'entrée supplémentaire (cf. Fig. 16). Pour les amplificateurs avec entrée de tension, le courant offset produit au niveau de la résistance interne d'une source de tension de signal une chute de tension qui s'ajoute au signal d'entrée. La tension offset et le courant offset sont très faibles dans les amplificateurs séparateurs de Knick et sont donc négligeables pour les applications courantes. Des influences offset ne doivent être prises en compte que pour des applications très spéciales, par ex. la transmission 1:1 de très petits signaux de mesure ou la transmission ou amplification de signaux à très haute résistance. La polarité des grandeurs offset est propre à l'exemplaire considéré et est donc indiquée sous la forme d'un nombre sans signe.

Courant offset

Figure 16 : Courant offset

 

3.7 Fréquence limite

Les amplificateurs séparateurs et les convertisseurs sont en principe conçus pour la transmission ou l'amplification de signaux à tension continue. Afin de pouvoir transmettre également des changements de mesure presque sans temporisation, des modules de Knick avec définition de limites sont parfaitement adaptés à la transmission de grandeurs alternatives. La fréquence limite supérieure pour les signaux sinusoïdaux est de 12 kHz max. selon le type. Comme c'est souvent le cas dans l'électronique et la télécommunication, la fréquence limite supérieure fg est définie comme la fréquence à laquelle le gain est amorti de 3 dB par rapport au gain CC, soit env. 71 % du gain CC (cf. Fig. 17).

Fréquence limite

Figure 17 : Fréquence limite


3.8 Comportement en mode commun

Si on applique aux deux entrées d'un amplificateur symétrique la même tension Ugl par rapport à la terre, la tension d'entrée reste UE = 0. On appelle ce mode de fonctionnement la modulation en mode commun. Avec un amplificateur idéalement symétrique, la tension de sortie UA devrait rester nulle. Ce n'est cependant pas le cas avec les amplificateurs réels : une tension non nulle est mesurée à la sortie (cf. Fig. 18). Une modulation en mode commun est toujours réalisée lorsque la tension du signal ne se trouve pas sur le potentiel de terre, autrement dit quand il existe une différence de potentiel entre les (deux) câbles d'entrée et la terre, par ex. lors d'une mesure de tension sur un shunt plus haut que le potentiel de terre.

Modulation en mode commun

Figure 18 : Modulation en mode commun


Des tensions en mode commun peuvent aussi se présenter comme des tensions perturbatrices en mode commun, par exemple lors de commutations, suite à des interférences dans les câbles de signalisation ou pour cause de courants transients. Le rapport entre une tension en mode commun et la tension de sortie qui en résulte est nommé gain en mode commun. Dans la pratique, on s'intéresse néanmoins davantage à l'écart avec le comportement en mode commun idéal d'un amplificateur, que l'on nomme réjection en mode commun. La réjection en mode commun G est définie comme le quotient entre le gain symétrique et le gain en mode commun ou comme le rapport logarithmique entre une tension en mode commun Ugl et une tension de signal Ud qui produirait le même signal de sortie: G = 20 · log (Ugl/Ud) [dB].

Exemple :

La modulation en mode commun d'un amplificateur séparateur où Ugl = 800 V entraîne pour une réjection en mode commun de 120 dB une erreur en mode commun à l'entrée Ud = 800 V/10120/20 = 0,8 mV. Dans le cas d'un amplificateur séparateur ayant une sensibilité à l'entrée de 60 mV, cela donne une erreur en mode commun d'environ 1,3% par rapport à la valeur finale de la plage. Pour les tensions en mode commun comprises dans la plage CC et la plage CA à basse fréquence (50 Hz), il est généralement aisé de réaliser une réjection en mode commun élevée. L'erreur en mode commun dans cette plage est négligeable avec les amplificateurs séparateurs de Knick. La réjection en mode commun des amplificateurs dépend néanmoins de la fréquence et diminue nettement à mesure que la fréquence augmente. La capacité de couplage entre l'enroulement primaire et secondaire du transmetteur utilisé, difficile à réduire, joue un rôle important. La réjection en mode commun est donc bien plus faible dans le cas de tensions en mode commun pulsées ou dans le cas de variations rapides de la tension en mode commun.

Des tensions en mode commun transitoires peuvent être causées par des opérations de commutation, qu'elles soient ponctuelles ou périodiques, par exemple dans des convertisseurs de courant pilotés par des thyristors. La technologie TransShield® a été intégrée aux amplificateurs séparateurs de la série VariTrans® P 40000 pour permettre une réjection de ce type d'impulsions en mode commun. En comparaison avec les modèles traditionnels, elle permet de proposer des transformateurs haute tension compacts et à faible diffusion. Grâce au gain de place obtenu, les séparateurs shunt VariTrans® P 41000 ont pu être réalisés dans un boîtier de série de 22,5 mm de large seulement. Les défaillances en mode commun telles que les surtensions transitoires élevées sont isolées efficacement et ne provoquent pratiquement aucune erreur de mesure à la sortie. Dans les caractéristiques, on précise pour cela le T-CMRR (Transient Common Mode Rejection Ratio). Il décrit le quotient entre le gain de tension continue différentiel et le gain en mode commun d'un signal parasite transient avec une vitesse de saut de 1000 V/μs (cf. Fig. 19).

Circuit test pour la mesure du T-CMRR

Figure 19 : Circuit test pour la mesure du T-CMRR

 

Les appareils de la série VariTrans® P 40000 sont donc parfaitement adaptés aux mesures sur des shunts lors desquelles des tensions pulsées en mode commun ou des variations rapides des tensions en mode commun sont attendues. Les amplificateurs séparateurs atteignent un T-CMRR de115 dB et la réjection en mode commun pour des défaillances à 50 Hz est de 150 dB.

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