Charge Active/ Charge électronique à base de mosfet

[morganzion]

Bonjour,

je suis à la recherche d'informations pour réaliser une charge fictive/électronique/active (je ne connais pas l'éventuelle différence entre ces termes).

Je voudrais pouvoir contrôler de manière numérique la charge à appliquer sur une sortie d'alimentation à découpage pour la tester par exemple. Le but serait de fixer soit une tension de consigne (1-50V) sur la charge, soit un courant(50mA à 5A), soit éventuellement une puissance(1-80W).

Pour le principe je vois à peu près comment faire, j'échantillonne la tension aux bornes de ma charge fictive et l'image du courant (masses communes) et je fais un asservissement avec ma consigne.

Je me suis renseigné sur le net et j'ai trouvé des montage simples pour faire une charge de puissance à base de mosfet (1 seul) de manière analogique mais j'aimerais contrôler ça avec un microcontrôleur. Est-ce qu'une simple PWM avec un filtre LC correctement dimensionné peut suffire ou est-ce qu'il faut un DAC ?

Je devrais également dans un second temps afficher la tension, le courant consommé et éventuellement la résistance équivalente.

A propos du dimensionnement du projet, dissiper disons 80W dans un seul Mosfet N est-ce faisable ou en faut-il plusieurs, quelle serait la limite pour un seul gros transistor sur un radiateur adapté?

Merci,
Morgan
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[Aurélien]

Je me suis renseigné sur le net et j'ai trouvé des montage simples pour faire une charge de puissance à base de mosfet (1 seul) de manière analogique mais j'aimerais contrôler ça avec un microcontrôleur. Est-ce qu'une simple PWM avec un filtre LC correctement dimensionné peut suffire ou est-ce qu'il faut un DAC ?

D'abord c'est plutot un filtre RC que LC.
Tout d'abord, pour l'asservissement proprement dit de la tension de gate par rapport au courant dans le MOS, il vaut mieux un petit circuit independant (avec un simple AOP) pour avoir un bon temps de réponse, mais dont tu peux piloter la consigne par ton micro.

Pour cette consigne, le PWM convient tres bien, si tant est que sa résolution te permet de couvrir tes besoins. Si tu vas jusqu'à 50A, avec un PWM 10 bits tu n'auras que des palliers de 50mA environ. Sauf si tu utilises plusieurs MOSFET, certains que tu actives apres certains palliers, tu multiplies ta résolution par le nombre de MOSFET. Mais c'est plus simple de trouver un micro qui gere un PWM avec une meilleure résolution.

A propos du dimensionnement du projet, dissiper disons 80W dans un seul Mosfet N est-ce faisable ou en faut-il plusieurs, quelle serait la limite pour un seul gros transistor sur un radiateur adapté?

Ca me parait un peu limite !!
Les affaires vont se compliquer pour l'asservissement des MOSFET lorsque tu voudras en utiliser plusieurs, tu ne pourra pas les mettre en parallele. Il te faudra utiliser un circuit d'asservissement par MOSFET, dont tu pilotera la consigne de manière independante (si 3 MOSFET, tension consigne = tension nominale / 3).

Aurélien

[morganzion]

oui je pensais effectivement à une structure par AOP toute simple.
Le problème de mettre plusieurs transistors c'est aussi un problème d'équilibrage de la puissance dans chacun des transistors, c'est pour cela que je pensais prendre un MOSFET unique mais puissant.

Je vais essayer de chercher une référence de gros MOSFET.
EDIT : est-ce qu'un IGBT peut être intéressant pour une charge active ? (j'en ai jamais utilisé)

[Antoane]

Bonjour,

Les affaires vont se compliquer pour l'asservissement des MOSFET lorsque tu voudras en utiliser plusieurs, tu ne pourra pas les mettre en parallele.

Pourquoi ? c'est un gros avantage des mosfet que de ne pas risquer l'emballement thermique. Il suffira donc de prendre plusieurs MOSFET de même référence et de les paralléler directement, la puissance s'auto-répartira bien entre les composants.

Pas sûr que le PWM soit une très bonne solution : tu ajoutes du bruit de découpage qui risque d'être gênant, surtout pour tester une alimentation à découpage.

Je doute que l'IGBT soit une bonne solution : Vce ne peut descendre sous 0,7V (voir souvent plus). Sans compter que quelques MOS (type BUZ11) reviendront moins cher, pour une meilleur répartition de la puissance dissipée sur le radiateur.

AMHA, l'asservissement peut se faire avec 2 ou 3 AOP et une poigné de composants discrets.

[A voir en vidéo sur Futura]

[morganzion]

c'est un gros avantage des mosfet que de ne pas risquer l'emballement thermique. Il suffira donc de prendre plusieurs MOSFET de même référence et de les paralléler directement, la puissance s'auto-répartira bien entre les composants.

Justement je pensais que c'était simple, mais tu ne peux pas relier directement les grilles entre elles car les variations des VGSth, même si les mosfets sont achetés au même moment, vont déséquilibrer les puissances.

[Aurélien]

Pourquoi ? c'est un gros avantage des mosfet que de ne pas risquer l'emballement thermique. Il suffira donc de prendre plusieurs MOSFET de même référence et de les paralléler directement, la puissance s'auto-répartira bien entre les composants.

Ah ben non c'est pas aussi simple. Chaque MOSFET a une réponse Ids(Vgs) différente, dont tu ne peux pas les mettre en simple parallele. Il faut répartir les charges, en mettant un shunt et un circuit d'asservissement par MOSFET.

Pas sûr que le PWM soit une très bonne solution : tu ajoutes du bruit de découpage qui risque d'être gênant, surtout pour tester une alimentation à découpage.

Attention, le PWM n'agit pas sur les MOSFET ! On ne fait pas du découpage. J'ai peut etre pas été assez clair.
Chaque MOSFET va s'équilibrer en fonction du courant qui traverse son shunt associé feedbackant (?) un AOP prenant également sur son entrée + une consigne, laquelle consigne devra être donnée un micro en fonction du courant qu'on veut faire passer. C'est là qu'interviens le PWM : au lieu de prendre un DAC conventionnel, on crée un PWM qu'on filtre avec un RC pour obtenir une consigne stable.

Je doute que l'IGBT soit une bonne solution

Effectivement, pour des basses tensions le MOSFET est préférable. L'IGBT est préférable avec de hautes tensions car plus le Vds max augmente plus il est difficile d'avoir un Rds on bas avec un MOSFET.

Aurélien

[morganzion]

Merci pour les informations ! Je vais essayer de faire une première ébauche de circuit pour mettre au clair mes idées.

[Antoane]

Au temps pour moi, avec les mos en linéaire, il faut séparer les commandes. Je pensais que tu commandait directement en PWM les grilles, auquel cas il eu été possible de les paralléler.

[baikauod]

Je confirme pour avoir testé,

1 shunt et 1 asservissement par mosfet.

[Antoane]

En PJ un essai, avec des bipolaires, assez faciles à mettre en parallèle avec une résistance d'émetteur. contrôlable depuis un µC en remplaçant R1/R2 par un potentiomètre numérique. Un 4066 pourrait permettre de passer aisément en régulation courant ou tension. Pour la puissance, en revanche... je vois pas trop.
En simu, la précision est bonne (200ppm) en statique, mais c'est moins bon quand la tension d'entrée varie (500ppm à 100Hz, oscillation folles à 1kHz...).
Que faire ?

[morganzion]

Je pense plutôt que d'utiliser un potentiomètre numérique, utiliser une pwm pour la commande de tension et une autre pour la commande de courant.

Le choix entre la limitation en courant ou en tension sera fait par commande d'un transistor "inhibant" la commande de l'AOP non désirée.

[morganzion]

Bon j'ai fait une ébauche, dites moi si ma solution de sélection de la commande est "viable".
Sinon, je suis parti sur des transistors car ceux ci sont disponibles dans mon stock, alors que les switchs analogiques j'en ai pas.

Merci

[Antoane]

Bonjour,
avec ça, tu charges à I et U constant, mais tu ne simules pas de résistance (U/I=cste). N'est ce pas nécessaire pour une charge électronique que de pouvoir le faire ?
Avec un N-MOS et une alim de 15V, tu ne pourras pas réguler au-dessus de 12 ou au mieux 15V.
Pourquoi les résistances de 1k en sortie des AOP ? ça ralentie le circuit alors qu'un AOP peut tout à fait avoir sa sortie court-circuitée.
Je ne pense pas que le choix U ou I par transistors ainsi connectés soit fonctionnel, à cause de la diode intrinsèque en anti-parallèle du MOS et du fait que pour correctement saturer le composant, il faut 10V de Vgs (3V pour un logic level), qui vont être durs à produire lorsque la source n'est pas à la masse.

[morganzion]

C'est bien ce que je veux faire, charger à I ou U constante, je ne veux pas fonctionner en régime TOR.
Je ne vois pas pourquoi avec un MOS N je ne pourrais pas dépasser une tension de plus de 15V sur son drain ? Étant donné que c'est justement un MOS N, je le commande avec une tension 0-10V de Vgs (environ car il y a en plus la tension de la résistance de 0.1Ohm).
Concernant la mise en CC d'un AOP, je doute fortement que tous apprécient, et niveau consommation, c'est un peu du gaspillage.

PS : je viens de m'apercevoir que les MOS P sont connectés à l'envers !

[morganzion]

Bonjour

J'ai avancé sur mon schéma.
J'ai ajouté l'emploi de composants de chez Texas pour amplifier la faible tension de shunt (Résistance de 10mOhm).
J'ai également ajouté un switch analog car je n'ai pas trouvé de solution satisfaisante de substitution.

Je suis limité dans la précision par le pas de résolution de la PWM que j'utiliserais avec le PIC16F1936.
La PWM étant de 10bits, j'ai calculé une résolution de 50mV et 10mA en sortie pour des valeurs pleine échelle de 50V et 10A.

Je voudrais savoir comment est-ce que je peux limiter le courant ET la tension ?
Je ne vois pas trop comment je peux limiter donc la puissance "analogiquement"?
Analogiquement, cela reviendrait à prendre la sortie de l'AOP qui est la plus faible et la rediriger vers la grille du Mosfet ?

Merci de m'avoir lu

ha oui j'ai trouvé un Mosfet puissant :
IRFP150N, donné pour 160Wmax : Datasheet

[Antoane]

Bonjour,
Tous les (ou au moins la plupart des) AOP acceptent d'être mis en court-circuit sans danger, c'est garanti dans les absolutes max ratings. Les puces contiennent en effet un limiteur d'intensité en sortie (sauf peut-être pour les MOS où la seule faible conductance des composants suffit à ne pas détruire le CI). C'est pas génial pour le rendement, c'est vrai, mais :
1. c'est sensé arriver qu'en cas d'accident (dans le montage post#12) ;
2. Se soucier de perdre 250mW quand tu comptes dissiper 80W...

.

Je ne vois pas pourquoi avec un MOS N je ne pourrais pas dépasser une tension de plus de 15V sur son drain ? Étant donné que c'est justement un MOS N, je le commande avec une tension 0-10V de Vgs .

C'est pour moi : j'ai, pendant un instant, fais comme si tu régulais la tension sur le schunt

Je ne parlais pas de TOR, mais de contrôler le MOS de manière à ce qu'il se comporte comme une résistance, variable (ie à U/I=cste).


Concernant ton schéma post#15 :
- Tu devrais rajouter une résistance grille-source sur le MOSFET.
- Ca peut t'interresser : http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an105.pdf
- à quoi sert la zener ?
- avec 10mohm, tu risques de récupérer pas mal de parasites, surtout sans le moindre découplage.
- la mesure de tension aux bornes du schunt est faite par rapport à la masse et la sortie est par rapport à la masse. L'ampli différentiel n'est donc pas nécessaire. C'est ce qu'explique Tropique Ici : "L'ampli d'instrumentation est probablement du luxe: puisque c'est un environnement de test, sur lequel on a beaucoup de liberté, il serait facile de mettre à la masse un des côtés de la piste en test et de se contenter d'un ampli non-différentiel, ce qui a aussi des avantages en matiére de réjection de mode commun, etc.", tiré de : http://forums.futura-sciences.com/el...decoupage.html (post#24). Comme ici, c'est un composant destiner à ce genre de mesure, je sais pas si ça s'applique encore... Si non, il faudra quand même faire attention lors du routage (masse en étoile).

Pour la validation d'un seul des deux AOP : c'est peut-être faisable sans switch analogique en mettant une diode en série avec chaque sortie, en reliant le commun à la grille du MOS et en envoyant l'AOP non sélectionné en saturation (de manière à bloquer sa diode). Il faut aussi une résistance de tirage.
Même si ce genre de composant n'est pas prévu pour fonctionner en linéaire, il serait peut-être possible de faire la même chose avec des comparateurs, à sortie en collecteur ouvert, mises directement en parallèle. On évite les diodes, seule est nécessaire la résistance de tirage. Les résultats seront peut-être pas géniaux car un LM311 n'est pas prévu pour, mais ça peut quand même être intéressant.


PS : tu schématises/simule sous Tina ?

[morganzion]

Bonjour,

L'AOP INA213 (qui amplifie X50) est bien adapté, c'est amplificateur différentiel low-side avec la masse cablée en étoile bien sûr , donc il n'y aura pas de problème à ce niveau. Je vais prévoir un filtrage RCR quand même au cas où.

J'ai rajouté une résistance Rgs (elle sert à quoi au passage ?).

J'ai mis la zener de 5V1 pour protéger l'entrée analogique du microcontrôleur au cas où je met une tension >50V sur la charge active.

Je ne vois toujours pas trop comment fixer une certaine résistance avec un Mosfet. R=U/I , je peux régler soit U, soit I, mais pas les deux en même temps, l'un sera limité par le système testé... ?

PS: je suis sous Altium

[Antoane]

Lors du passage d'une régulation à l'autre, la grille du MOS va être à l'air pendant un instant. De plus, à l’arrêt, on ne sais pas trop comment se comporte l'ensemble du circuit, donc la Rgs est une sécurité contre les ESD.

La zener n'est pas nécessaire : le µC contient une diode de clamp (ie : cathode au Vcc=5V et anode sur l'entrée) qui va permettre d'écreter le potentiel d'entrée à environ Vcc+0,7V. Le courant est limité par la résistance de 9,1k. De plus, le coude pas très franc d'une zener risque de fausser la mesure bien avant 50V.

En effet, impossible de fixer U ET I, mais il est possible de fixe U/I, c'est généralement ce que fait une résistance
Voir post 10 pour un exemple de mise en pratique : aux bornes de R3 on as une tension R3*I, et la tension sur l'entrée inverseuse de U2 vaut Vin*R2/(R1+R2), on identifie les expressions :
R3*I=Vin*R2/(R1+R2), ou : Vin=I*R3*(R1+R2)/R2.
C'est bien une résistance qui est simulée !

[Forhorse]

Je trouve que c'est un peu compliqué comme montage pour un truc qui est censé être piloté par un micro contrôleur.
Pourquoi 2 asservissement possible ?
1 seul suffit non ?
On mesure U et I, et on asservit sur uniquement l'un des deux.
Le microcontrôleur se chargeant d'ajuster la consigne en fonction de ce que l'on veut obtenir (soit un certain courant, soit une certaine tension, mais les 2 grandeurs sont liées de toutes façons)

Par exemple si on asservit sur I uniquement, mais que l'on veut reguler sur U, on sait que pour faire augmenter U il suffit de faire baisser I, on agit donc sur la consigne de I en conséquence.
ça simplifie considérablement le hardware

[morganzion]

Forhorse tu as tout à fait raison, mais c'est plus simple d'asservir sur deux AOP différents. Si je veux réguler à 25V je sais que j'ai seulement à placer le switch dans la bonne position et mettre la PWM de consigne de la tension à 50%. Même chose si je veux un courant de 5A (50V, 10A max je rappelle).

Or, dans le cas d'un seul AOP, donc d'un asservissement via le courant dans le shunt, je dois asservir ma tension de sortie "par tâtonnement". Je devrais alors lire la tension de la charge et agir en conséquence sur la PWM.

C'est donc une question de simplicité du soft (car un asservissement numérique type PID c'est pas très simple), mais aussi de rapidité dans l'asservissement.

J'aimerais régler la consigne avec des potentiomètres rotatif type chaine Hifi, sans fin de course. Est-ce que c'est facile à commander ? j'ai regardé sur le net rapidement et j'ai vu qu'il fallait faire ça avec des interruptions mais j'ai peur que le soft puisse "sauter des pas"...

Économiquement, c'est assez cher sur Farnell ou RS, donc je vais peut-être plus m'orienter vers un potentiomètre tout bête.

[Forhorse]

Tu as fait un essais de ton montage d'asservissement en tension, ou même simplement une simulation ?
Parce que si on prend ton asservissement en tension, et seulement lui (pour des questions de simplicité, et puisque de toutes façons tu veux faire fonctionner uniquement l'un OU l'autre) et qu'on connecte la charge active ainsi constituée sur une source de tension d’impédance très faible (par erreur, méconnaissance, etc...) et que l'asservissement en tension ne peut pas s’opérer (appelons ça une saturation) tout simplement parce que le courant que peut débiter la source de tension est largement supérieur à ce que peux encaisser ta charge, que ce passe-il ?
Tout crame !

Alors tu vas me dire que tu as prévu une limitation d'intensité... sauf que pour limiter cette intensité il faudra que tu fasses de toutes façon une régulation numérique (a moins de faire un simple disjoncteur ?)

C'est quand même nettement plus simple d'asservir uniquement en courant, avec de part le fait une limitation implicite d'intensité, et de se creuser un peu les méninges pour programmer un petit algo de régulation de tension. (une regul PID c'est vraiment pas compliqué à programmer, même moi j'y suis parvenu !)
Tu es vraiment certain d'avoir besoin d'une telle rapidité de régulation au point qu'un µC serait trop lent pour le faire ?

Là avec ton système ton complique le hardware, tu monopolises pas mal de port d'I/O de ton µC (il faut générer 2 consignes, une sélection d’asservissement, une limitation d'intensité) et je dirais même que ton µC sera même complétement gadget !
Tu ferras exactement la même chose avec 2 potentiomètre, un bouton et quelques galvanomètres (analogique ou numérique)

[morganzion]

Là tu marques quelques bon points !
Je n'ai pas simulé le schéma, car je n'aime pas trop faire de simulations, surtout pour des montages aussi simples, pour le moment.

Je n'avais pas pensé à mettre une limite en intensité... et du coup tu as entièrement raison : l'asservissement de tension est inutile + "dangereux" (je vais quand même y mettre un fusible).
A moins de trouver un moyen pour faire fonctionner l'un ET l'autre (ce serait parfait du coup).

Au niveau du µc je voulais utiliser le 16F1936 à 16 ou 20MHz pour afficher la tension, le courant, la puissance et éventuellement une fréquence de découpage de la charge sur un afficheur lcd.
Le problème de ces afficheurs, c'est que leur commande prends du temps, alors je me demandais si ça ne pouvait pas créer des problèmes...

[Forhorse]

avec un 16Fxxx à 20Mhz t'en a déjà sous le pied (a condition de ne pas coder comme un poney) a mon avis c'est largement suffisant pour tout faire, y compris une régulation PID.
Un afficheur LCD bouffe du temps parce que c'est un périphérique très lent, du coup le µC passe son temps à attendre. Mais niveau puissance de calcul brut, ça ne consomme pas grand chose.
Et si vraiment tu as des tâches critique niveau temps de réponse, les interruptions sont là pour ça.

[morganzion]

Ok, merci pour les conseils
Donc je me pencherais vers un asservissement numérique.

Du coup, comme le schéma hardware est simplifié, je vais rajouter un transistor en "parallèle" avec l'AOP et le shunt qui va bien :P

[morganzion]

Bonjour,

je reviens à la charge (haha)
Est-ce que je peux utiliser un AOP "bas de gamme" pour faire mon montage ou dois-je utiliser un AOP rail to rail ?

merci

[Forhorse]

ça dépend de l'alimentation des ampli.
Avec un alim symétrique, n'importe quel ampli fera l'affaire.
Sans, des problèmes d'offset en sortie peuvent se poser et tu risques de te trouver avec un "courant de fuite" (le MOSFET sera toujours légèrement passant du à une tension de grille non nulle)
Je me trompe peut être mais a mon avis c'est le seul risque.
Fait déjà un essai (un vrai essai pas une simulation) avec un classique LM358 et regarde ce qui se passe, surtout lorsque la consigne est proche de zéro.
Si ça va pas, il te faudra soit une alim symétrique, soit essayer avec un rail-to-rail.

[fabang]

Je pense qu'en plus il y a une erreur dans la régulation de tension, les entrées + et - de l'AOP devraient être inversées.
Car dans ton schéma, si la tension devient trop grande, du réduit la tension sur la gate du mos de puissance, qui par conséquent consomme moins de courant, ce qui fait encore monter la tension............
Cela dit une charge électronique ne se pilote que dans un seul mode à la fois, courant, tension, résistance, puissance.
Certains mode sont dangereux, comme la tension constante avec une batterie, ou bascule brutalement comme la régulation à puissance constante quand la résistance équivalente de la charge devient plus faible que la résistance interne de la source (il faudrait inverser la régulation à partir de ce point.

[morganzion]

Bonjour,

je voulais juste dire que j'ai fait mes premiers tests avec un courant de 0-2,5A et je retrouve bien une tension en sortie de mon amplificateur (x50) de 1,4V pour 2,5A.
J'ai pris les composants spéciaux Texas Instrument utilisés dans le dernier schéma

Il me reste à tester l'asservissement par soft sur un pic 18F2680, vous avez des idées pour que je démarre correctement ?

[Forhorse]

Une régulation PI devrait être suffisante, mais je suis pas un pro en régul.
C'est simple à programmer et n'utilise que des opérations de base (+ - / *)
Dans le principe moi je procède ainsi :
Il faut une boucle de régulation qui est appelée régulièrement, à intervalle fixe à une fréquence qui permet une bonne réaction de la régulation (une centaine de fois par seconde me semble bien)
Tu commences par calculer la différence entre la consigne (la valeur que tu veux obtenir) et la mesure réelle de la grandeur à réguler.
Cette différence tu la multiplie par ton facteur proportionnel, tu as alors la bande proportionnelle de ton regulateur.
Dans une autre variable tu additionnes à chaque fois la valeur de l'écart à entre consigne et mesure, afin d'avoir la somme des différences (en tenant compte du signe bien entendu)
cette somme des différences, tu la multiplies à son tour par ton facteur d’intégrale (il faut parfois lui appliquer un diviseur par 10, 100 ou 1000 pour qu'un échelon du facteur d’intégrale n'ait pas une influence trop forte sur la régulation, ce qui entraine des oscillations)
Tu as alors la bande intégrale de ta regul

Tu additionnes les deux bandes (P + I) et tu n'as plus qu'a appliquer le résultat sur ton process.
Le plus dur étant ensuite de trouver les bonnes valeurs pour les facteur proportionnel et intégrale, mais pour ça il faut faire des essais, tracer des courbes et faire des calculs.
Il y a pas mal de site qui parlent du réglage de ce type de régulation.

(Pour la bande dérivée ce n'est pas beaucoup plus complexe, c'est une soustraction entre la différence du cycle d'avant et du cycle en cours à laquelle ont applique là aussi un facteur)