Lorsqu'on répare ou règle des circuits électroniques, on peut avoir besoin d’une référence de tension ou de courant de haute précision.
Pour tester vos montages ou servir de source d'étalonnage pour des appareils tels que multimètres et oscilloscopes, l’étalonneur présenté ici délivre des tensions précises de −10 V à +10 V par pas de 20 µV et des courants précis de 0 à 40 mA par pas de 100 nA.
Cet article est basé sur le projet que Vincent Gautier présente sur le site du labo d’Elektor, où l'on peut trouver ou télécharger des informations plus détaillées sur son étalonneur, y compris tous les logiciels, les circuits imprimés et les listes de composants, ainsi que les fichiers d’impression 3D.
J'ai acheté un oscilloscope en panne sur eBay. Pour en profiter pleinement après réparation, il fallait l’étalonner avec des tensions et des courants précis. Normalement, les valeurs d'étalonnage nécessaires sont de l'ordre de 1,000 V ou 10,000 mA.
Il y a de nombreuses solutions d’étalonnage sur le marché, mais ces appareils dépassent largement mon budget ou n'ont pas la résolution et la précision requises.
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Le schéma de principe des cinq premiers blocs combinés est présenté à la figure 1. Le module IHM fournit l'interface utilisateur et commande l’étalonneur en réglant la tension de sortie du CN/A. Cette tension est également convertie en un courant de sortie par le générateur de courant ; l'IHM commande le relais K1 via le FET Q1, qui détermine si l’étalonneur délivre une tension ou un courant très précis aux bornes de sortie J6 et J7.
L’étalonneur est alimenté par un adaptateur secteur USB fournissant au moins 500 mA. Le 5 V fourni est réparti en trois branches distinctes. L'une alimente directement l'IHM avec le microcontrôleur. La deuxième alimente U1, un régulateur à faible chute (LDO) de 3,3 V pour l'alimentation logique du CN/A (U5 et autour). La troisième branche alimente PS1 : un convertisseur CC/CC symétrique, isolé galvaniquement, avec des sorties de +15 V et −15 V. Ces sorties sont filtrées et alimentent deux régulateurs linéaires (U2 et U3). Les deux régulateurs sont de type à faible taux de chute et à faible bruit.
C'est l'élément le plus important et en même temps le plus critique de ce projet. La conception de références de tension précises et stables est une science en soi.
Sur le web, il existe des dizaines d'articles et de spécialistes qui discutent de ce sujet afin de repousser les limites de caractéristiques telles que : le bruit, la stabilité en ppm/°C à court et à long terme, l'hystérésis, la FEM thermoélectrique, piézoélectrique etc.
Dans votre moteur de recherche préféré, cherchez la Rolls des références de tension : le LTZ1000 avec une dérive de seulement 0,05 ppm/°C.
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Après avoir testé trois références de tension plus abordables (LTC6655, ADR445, MAX6350ESA), j'ai choisi le MAX6350ESA de Maxim, que j'ai trouvé le plus stable dans le temps avec une sortie de 5 V. Avec les deux ampli-op U10A&B à l'intérieur de l'AD8676 (double ampli-op à faible bruit et faible dérive de tension de décalage), on obtient des références de +10,48 V et −10,48 V (VREF+ et VREF- respectivement).
Le CN/A que j'ai sélectionné est un AD5791, choisi pour sa résolution de 20 bits et sa linéarité de 1 ppm. Cette linéarité simplifie l’étalonnage : seuls les points 0 V et 10 V doivent être ajustés. Le schéma autour de l'AD5791 utilise des composants identiques à la carte d'évaluation d'Analog Devices pour ce CN/A.
Dans mon projet, le CN/A a des tensions de référence de +10,48 V et −10,48 V, ce qui produit des pas d'environ 20 µV. La tension de sortie de l’étalonneur est limitée par logiciel entre −10 V et +10 V.
Les quatre principaux composants de la source de courant de précision sont U7 (amplificateur de mesure AD8276), Q1 (transistor NPN PZT1222), U8 (amplificateur de précision AD8677) et R10 (100 Ω). Q1 fournit le courant à la charge. Ce courant traverse R10 (résistance shunt), le relais puis se dirige vers la charge testée pour finalement retourner à la masse.
La tension aux bornes de R10 mesurée par U8 et U7 est comparée à la tension de référence fournie par le CN/A AD5791. Le courant de la source de sortie est égal à VCN/A / R10, ou VCN/A / 100. Le courant est limité à 40 mA par le logiciel pour éviter la dérive de la mesure de tension dans R10, due à l'échauffement thermique à l'intérieur de R10 et Q1. Le coefficient de température de la résistance R10 est critique et doit être meilleur que 0,2 ppm/°C.
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Cette partie est un module gen4-uLCD35-DT de 4D Systems, qui combine - entre autres - un écran tactile résistif couleur de 3,5 pouces, un microcontrôleur et un support de carte micro-SD. L'EDI 4D Workshop 4 est gratuit et contient les bibliothèques de fonctions des boutons tactiles pour ce projet (voir fig. 2). Le code lui-même est une forme simplifiée du C. L'interface graphique utilisateur (GUI) est réalisée ainsi : les boutons tactiles et les chiffres sont des images stockées sur la carte micro-SD. Chaque image a des coordonnées fixes sur l'écran.
La dérive de la tension de sortie en fonction de la température est mesurée en ppm/°C. Par exemple, avec un signal de sortie de 10 V, 1 ppm correspond à une dérive de tension de 10 µV. La température ambiante de mon laboratoire varie approximativement de 15 °C à 25 °C, donc si la sortie a un coefficient de température de 2,5 ppm/°C, la tension de sortie peut varier jusqu'à 250 µV dans cette plage de température.
Je me suis alors demandé si je pouvais améliorer le coefficient de température en réchauffant la référence de tension. J'ai choisi un point de consigne à 55 °C, bien plus élevé que la température ambiante normale. J'ai construit un réchauffeur commandé par la température sur un petit circuit imprimé et je l'ai collé sur le côté inférieur du circuit de référence de l’étalonneur.
Une enceinte « four » imprimée en 3D a été conçue pour couvrir le circuit de réchauffage et stabiliser sa température et celle de la référence de tension.
La figure 3 donne le schéma de la commande de réchauffage.
Les fichiers de conception KiCad, les fichiers gerber et de perçage pour commander le circuit imprimé principal et celui de réchauffage, et les listes de composants pour les deux cartes sont disponibles au téléchargement sur la page web Elektor Labs associée à ce projet.
Le projet est conçu pour tenir dans le boîtier Hammond spécifié dans la liste de composants. Le circuit imprimé de l’étalonneur a été conçu pour être utilisé avec un module (dé-)chargeur de batterie chinois (réf. DDO4CVSA) du fabricant Eletechsup et une batterie au lithium de 4,1 V, mais après quelques essais, je l’ai écarté de mon montage final car - à mon avis - il chauffait trop. N'hésitez pas à l'essayer, à vos risques et périls bien sûr.
Cet étalonneur ne fonctionne pas sans logiciel, tous les fichiers nécessaires sont disponibles en téléchargement sur la page Elektor Labs. Pour le module IHM lui-même, achetez le kit de démarrage SK-35DT-AR de 4D Systems, qui contient l'écran tactile, une carte micro-SD de 4 Go et une interface pour programmer le module IHM.
Pour programmer le module IHM, assurez-vous d'abord que la carte micro-SD est formatée en FAT, et non en FAT32 ! Téléchargez Software.ZIP et USD_FILES.ZIP depuis et extrayez leur contenu dans des dossiers de votre ordinateur. Copiez tous les fichiers du dossier USD_FILES sur la carte micro-SD et insérez-la dans le module IHM. Connectez l'interface de programmation sur l'embase à 10 broches du module et à un port USB de votre ordinateur. Ouvrez l'application Program Loader (fig. 6) à partir de l'EDI de 4D Systems, sélectionnez le port COM de l'interface de programmation, sélectionnez Flash comme destination, chargez le fichier calibrator.4XE et cliquez sur OK. Note : le code source se trouve dans le fichier calibrator.4Dg ; tous les commentaires sont en français.
Comme pour toute source de tension de référence, le MAX6350 doit être vieilli pour améliorer sa stabilité à long terme. J'ai choisi 1000 h à température ambiante. Il faut ensuite un multimètre à 6,5 chiffres minimum pour l'étalonnage, et j'ai utilisé mon Agilent 34410A pour cela.
Tout d'abord, sélectionnez le mode de sortie « tension » en appuyant sur Volt/mA. Maintenez le bouton 000 enfoncé pendant 5 s pour lancer l’étalonnage, un bip retentit et le message calibration mode s'affiche. Utilisez les boutons « + » et « - » des roues codeuses pour obtenir une lecture de 0 V ±15 µV sur le multimètre, attendez environ 10 s pour stabiliser. En appuyant sur 000, l'écran affiche cal stored pendant 2 s, puis les roues codeuses affichent 10.00000.
Sélectionnez d'abord le mode de sortie « courant » en appuyant sur Volt/mA. Appuyez sur le bouton 000 et maintenez-le enfoncé pendant 5 s pour lancer l'étalonnage, un bip retentit et le message calibration mode s'affiche. Les roues codeuses affichent 00,0100 mA. À l'aide des boutons « + » et « - » des roues codeuses, sélectionnez la valeur correcte pour afficher 10 µA ±100 nA sur le multimètre. En appuyant sur 000, cal stored s'affiche sur le LCD pendant 2 s, puis les roues codeuses affichent 30,0000.
L'écran de l'interface graphique se compose de roues codeuses tactiles et de trois boutons. Les boutons +/- des roues codeuses sélectionnent la valeur de sortie. Le bouton sign inverse la polarité de la tension de sortie, il est inactif en mode courant.
Le coût total de la construction de cet étalonneur de tension et de courant de haute précision sera d'environ 300 €, ce qui un très bon prix pour cet appareil. Certes, vous aurez également besoin d'un multimètre de haute précision et bien étalonné pour garantir un réglage précis ; cela peut poser un problème, mais la plupart d'entre nous auront d'une manière ou d’une autre accès à ce type d'appareil.
J’ai acheté ce testeur pour moins de 10€ sur internet. Il n’a peut être pas la précision d’un appareil professionnel (quoique…) mais on a bien vu avec la résistance de 100Ω quelle était d’au moins 1% . Cela couvre la très grande majorité des composants que nous utilisons au quotidien. Je pense qu’il va faire partie des appareils électriques constamment présents sur mon (très encombré) établi.
L’alimentation, est quand à elle, confiée à un classique régulateur linéaire 78L05. L’inspection du circuit nous révèle une qualité des soudures correcte. Sur mon exemplaire, je n’avais pas de trace de flux de décapage généralement présent sur les circuits à (très) bas coûts, ni de boulettes de soudure. La réalisation est donc soignée, le dessin du circuit imprimé est bien réalisé avec du double face (au minimum) des plans de masse et des vias (traversées) réalisées avec des œillets et non en pattes de résistances.
Le régulateur 78L05 permet d’alimenter le testeur avec une tension continue dans une plage de 7 à 35v, ça laisse le choix! Je n’ai pas vu de diodes en entrée de l’alimentation, donc attention aux inversions de polarité, le 78L05 est peut être rustique mais les autres composants sont plus sensibles.
Je connecte une pile de 9v et appuie sur le bouton jaune, Ho! Le premier écran affiché concerne le contraste préréglé (à 26 pour moi). Pour ajuster celui-ci, le poussoir permet de l’incrémenter. Une fois la valeur désirée atteinte, attendez et le programme de test commence. Si comme moi vous avez trop appuyé, arrivé à 60 la valeur retourne à 1 et continue à s’incrémenter. Lors des prochains démarrages, le réglage ne sera plus demandé. Lors des prochaines mises sous tension; l’écran nous indique la version du logiciel ainsi la tension de la pile pendant 3s environ.
Pour effectuer un test, il faudra brancher un composant sur les entrées 1, 2 ou 3 du connecteur. Grâce à la sérigraphie, on identifie facilement les pinces qui correspondent aux différentes entrées. Comme vous pouvez le voir sur la photo, la résistance est connectée entre 1 et 3. Le suivant, un potentiomètre, là on doit utiliser les 3 entrées, mais toujours sans ordre particulier. Le testeur détecte deux résistances dont la somme correspond à la valeur du potentiomètre.
De la même manière, un condensateur sera identifié correctement qu’il soit chimique, polystyrène ou céramique. Certains condensateurs peuvent avoir une tolérance de 20%, d’où une différence entre le marquage des valeurs et celles mesurées. Pour les selfs ou autre bobines et inductances le procédé reste le même.
Un peu plus compliqué : les transistors, diodes et consœurs. L’identification des diodes se déroule comme sur des roulettes, un petit dessin nous indique le brochage du composant et bien-sûr, la tension de jonction ainsi que la capacité de la jonction (utile pour le choix de diodes varicap s’il reste encore des amoureux du superhétérodyne et du Colpitts.
J’ai essayé de le piéger avec une diode double en boîtier TO220, mais c’est moi qui me suis fait avoir, le résultat tombe sans appel, le brochage est correct ainsi que les deux tensions de seuils. Le seul bémol concerne les diodes Zéner, avec une tension d’alimentation de 5v.
J’ai pu identifier des transistors NPN, PNP, MOSFET N et MOSFET P. Je n’avais pas de TRIAC ou de jFET sous la main pour les tests. Pour les transistors bipolaires, en plus du brochage, on a les informations de tension de seuil base émetteur (vbe) et de gain (hfe). On voit bien sur les photos que le sens de branchement n’a pas d’importance, le testeur s’accommode bien des différentes configurations.
On a oublié un composant que l’on utilise très souvent…. Comme annoncé dans la description, il y a un emplacement constitué de pastilles étamées non vernies juste entre le connecteur ZIF et le bouton poussoir. Les pastilles sont judicieusement disposées pour pouvoir tester une grande variété de boîtiers à monter en surface. La sérigraphie indique bien les différentes entrées de mesures.
Il y a un menu caché de calibration en court-circuitant les 3 broches de test et en appuyant sur le bouton. Il y a plusieurs différences entre les modèles chinois entre eux et avec le projet original. Le software peut être flashé pour ceux qui disposent d’un ISP (In Situ Programmer). Le logiciel n’est pas compatible avec toutes les versions.
tags: #testeur #composants #diy #calibration
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