[Terminé] Utilisation de voltmètre de la famille 7106 SANS alimentation flottante

[Tropique]

Hello,

Voici un petit tutoriel qui vous permettra d'intégrer facilement des modules millivoltmètres dans vos projets.

Problème:
Les modules millivoltmètres LCD basés sur les circuits de type ICL7106 sont devenus très courants et bon marché. En plus, ils sont (relativement) précis, consomment peu et ont une résistance d'entrée élevée.
Malheureusement, ils ont une particularité qui a fait s'arracher les cheveux à une génération d'électroniciens: la masse d'entrée n'est pas flottante par rapport à l'alimentation. Si l'on veut les incorporer dans un système, il faut donc prévoir une alimentation séparée, complètement isolée galvaniquement du reste du montage.
C'est une contrainte extrêmement lourde: pour les appareils fonctionnant sur pile, cela oblige à avoir une deuxième pile, et pour ceux alimentés par le secteur, il faut un transfo ou un enroulement supplémentaire séparé.

Comment s'affranchir de ces contraintes?
Il faut d'abord comprendre comment fonctionne ce CI, en particulier la structure des masses et références.
Voir ce qui nous intéresse sur l'image "analog-7106", extraite de la datasheet:
http://server-die.alc.upv.es/electro...og/icl7106.pdf
Le terminal "common", qui sert de masse interne, est dérivé d'une référence de 2.8V bufferisée par un AOP et un transistor. C'est là la source des problèmes: cette partie de circuit va tenter d'imposer sa tension à ce terminal, et s'il est raccordé à un autre circuit, il va y avoir conflit.
On peut se demander pourquoi le fabricant a utilisé un tel système, qui parait si peu commode. Historiquement, ces convertisseurs étaient destinés à des appareils autonomes, multimètres, thermomètres, etc, où il aurait fallu créer une telle masse; c'était donc une simplification. En plus, si l'on construit le système à partir de zéro, on peut très bien se passer de cette masse et de la référence interne, puisque aussi bien entrée que référence sont différentiels et flottants.
Mais les modules complets ont déjà tout qui est précablé, et sont donc beaucoup moins souples. Donc, à moins de commencer à charcuter les pistes du module, ce qui est toujours délicat, il va falloir trouver une autre solution.

Pour les besoins de la compréhension, nous allons nous baser sur un schéma fonctionnellement équivalent aux circuits internes: struct-7106.
Attention! Ce n'est pas une représentation réelle de ce que contient le circuit; d'ailleurs, même le schéma donné par le fabricant est incorrect et ne saurait pas fonctionner.
On voit que la référence de 2.8V apparaît entre "common" et le positif; avec une bizarrerie qui constitue l'obstacle majeur à la compréhension de la structure: la présence du buffer inverse le sens du courant de polarisation de la référence.
Si on avait simplement une référence shunt entre + et common, il suffirait d'un courant vers le négatif pour polariser cette référence. Mais avec le buffer (ici symbolisé par le PNP), le courant de polarisation doit venir du positif!
Déroutant.
Une fois que ces aspects sont digérés, on peut commencer à envisager les solutions:
Dans un premier temps, on peut imposer des tensions d'alimentation externes, en respectant certaines conditions. Si on alimente le circuit en +/- 5V, le +5V va inhiber la référence interne (le PNP sera polarisé en inverse), et le -5V va compléter l'alimentation négative.
Est-ce aussi simple? Oui et non: cela va fonctionner, càd qu'il n'y aura pas de conflit, mais c'est maintenant le 5V qui va servir de référence.
Cela peut être gênant: la tension de référence étant modifiée, la tension pleine échelle le sera dans les mêmes proportions, 5/2.8, autrement dit, la tension pleine échelle passera de 200mV à environ 360mV. D'autre part, si le 5V est issu d'un simple régulateur style 7805, il n'aura pas la stabilité d'une vraie référence.
Si l'on veut conserver les caractéristiques d'origine du module, il va falloir se montrer plus astucieux.
Pour y arriver, il faut que le terminal common serve de "pivot" fixe aux autres tensions.
Le common va donc être raccordé directement à la masse externe, et on va faire "flotter" les deux tensions d'alimentation. Voir image "alim_7106".
Dans cet exemple, on va alimenter le module à partir de +5/-12V.
On part du positif. On va mettre une zener en // sur le module pour fixer sa tension; 8.2V p.ex. On polarise la zener par un courant adéquat, 1mA p.ex. Le module consomme environ 1mA, disons 1.2mA. La somme de ces courants doit être fournie par R1; celle-ci étant soumise à la différence entre 5V et 2.8V, R1=1K.
Ensuite, il faut fournir le courant négatif; celui-ci sera la somme du courant positif et du courant qui passe dans common. Ce courant est trés important, c'est lui qui va permettre au transistor d'être polarisé, et donc à la référence d'être active.
Si l'on fait passer un surplus de 0.5mA, le courant va donc valoir 2.7mA, d'où R2=6.6K que l'on peut arrondir à 6.2K ou 6.8K.
Voilà, notre circuit est alimenté correctement, et on dispose, si l'on en a besoin, d'une référence stable de 2.8V pour alimenter d'autres circuits éventuels.

Naturellement, les méthodes et valeurs données ici sont typiques, mais indicatives, et une fois que l'on a compris le principe, on peut adapter les détails aux besoins précis de chaque situation. Ces fonctions peuvent être réalisées aussi par des AOP ou des transistors selon les besoins. Avec le circuit "brut de fonderie" tel qu'il est présenté, on a un surplus de consommation qui est nécéssaire pour polariser les divers circuits, il est possible de fortement réduire ce courant.
Un exemple d'application réelle, avec convertisseur à pompe de charge etc, est donné dans le schéma du réactancemètre que j'ai publié précédemment dans le forum:
http://forums.futura-sciences.com/thread131517.html
Voir du coté d U1, Q2, D20

[Tropique]

Une petite précision supplémentaire:

L'analyse qui a été présentée est basée des courants statiques (moyens).
Le courant consommé par le convertisseur A/D varie au cours du cycle, et pour que l'analyse reste valable, il faut que le courant d'alimentation soit moyenné, normalement au moyen d'un condensateur.
En principe, les modules complets comportent un condensateur de découplage sur l'alimentation, mais si ce n'est pas le cas, ou si sa valeur est trop faible, il faut en ajouter un en parallèle avec la zener D1. Avec 100µF/10V, on est parfaitement couvert.
A+

[Tropique]

Pour compléter ce tutoriel, voici un autre circuit, qui est adapté à une situation fréquente:

Celle où l'on n'a qu'une seule tension d'alim, de 5V, et où l'on souhaite référencer la masse du module à celle du 5V.

Il y a alors deux problèmes à résoudre: celui de la compatibilité des masses, comme dans le cas précédent, mais aussi de la tension d'alim, qui est insuffisante.
En effet, les modules bon marché habituels ont besoin de minimum 7V pour fonctionner correctement (il existe aussi des modules travaillant en 5V, mais on est alors dans la gamme professionelle, et les prix sont très différents).

La solution, c'est un petit convertisseur à pompe de charge, qui va multiplier la tension, mais également, grâce à une petite astuce, permettre à la sortie de flotter librement par rapport à l'entrée (sans transfo, bien sûr). Voir image Float.

Deux tensions carrées, en opposition de phase, alimentent deux doubleurs de tension, autour de D2/D3 et D1/D4. L'astuce, c'est que ces doubleurs sont référencés l'un à l'autre: leurs points froids sont réunis, et complètement flottants (si l'on excepte C6 dont on verra le rôle).
A première vue il semblerait que cette configuration ne puisse pas fonctionner: c'est comme d'essayer de se soulever soi-même en mettant les mains sous les plantes des pieds.
En fait, la configuration fonctionne grâce à l'alimentation par les signaux en opposition: de par la symétrie, le point froid devient une sorte de masse virtuelle dynamique. C6, en association avec R3 et R4, permet de filtrer/dériver vers la masse les petites asymétries des signaux (skew), qui généreraient des parasites transitoires importants.
La tension produite, aux bornes de C5+C3, est flottante et peut-être référencée à n'importe quel potentiel, tant qu'il ne varie pas (ou lentement) par rapport à la masse d'entrée. La tension, de 8V sous 1mA est suffisante pour les modules courants.
La masse de mesure du module (GND) peut-être mise au potentiel désiré, par exemple la masse d'entrée via X1.

Le circuit est représenté comme totalement autonome, avec son propre oscillateur (à 20KHz). Dans un montage, il y aura souvent déjà un signal utilisable, horloge ou autre. La fréquence n'est pas critique, il suffit d'adapter les valeurs de condensateurs. De même, les portes ne doivent pas obligatoirement être des inverseurs: on peut récupérer des portes Nand ou Nor inutilisées; on peut éventuellement en mettre en parallèle, si l'on désire plus de courant. Les familles HC et AC sont utilisables pour cette application.
A+

[Tropique]

Petite arrière-pensée à propos du circuit précédent (qui fonctionne parfaitement tel quel, je m'empresse de le préciser).

Il y a une simplification possible:
D2 et D4 peuvent être remplacée par une seule diode, ce qui est avantageux non seulement point de vue BOM, mais aussi sur le plan du rendement: on gagne 300mV de tension de sortie.
Du coup, le point commun de C3 et C5 devient flottant, il est donc tentant de les fusionner également; le problème, c'est qu'il faudrait alors connecter C6 à l'une des armatures, ce qui dissymétrise le circuit. Point de vue EMC/RFI, ce n'est pas très fameux, donc il y a deux alternatives: soit supprimmer C6 et mettre directement le point commun de C3 et C5 à la masse, mais cela implique que la masse de mesure n'ait que des variations très lentes et très faibles par rapport à la masse d'entrée, soit on scinde plutot C6 en 2X 47nF, dont on connecte le point commun à la masse. Je crois que cette dernière option est optimale dans la plupart des cas.
A+

[speedy08fr]

BONJOUR jais fais une alim pour ce tipe de voltemetre a base de ne 555
sa marche tre bien pour 2 afficheur lcd made conrad peux joindre dock si demande merci

[DBVElectron]

Bonjour Speedy,
Je suis aussi confronté à ce problème avec les modules d'affichage Conrad.
Grand merci de m'envoyer ta solution.
Cordialement,
DBV

[speedy08fr]

volas un scan ses pas joli mais sa marche repond un peux tard

[DBVElectron]

Bonsoir Speedy,
Je te remercie pour ta réponse, le scan n'est pas trop lisible par endroit.( la vue baisse avec l'âge...)
Une question : Rb 20k, C 330 pF ?
Les condos de filtrage 10 ou 100 µF ?
Cordialement,
DBV

[speedy08fr]

bonjour dans lordre 1k 20k 330p les condos de filtrage 100µF par sortie
jais fais se montage pour deux mmn de type conra a 5€ ou 8€ le mmn
sur une plaque a trous pour un amperemete +voltemetre sa marche au poil
le 555 ne pas prendre le cmos
je te joint la dock du mmn +photo du montage
bon courage et tien mois aux courant

[DBVElectron]

Bonjour Speedy,
Super, ta réponse arrive bien vite, merci pour les infos, 1k 20k et 330 pF, cela fait 100 kHz avec un duty cycle de 50%, pour une conso de 1 mA, 100µF ne serait-il pas un peu surdimensionné ? J'ai ajouté une zener de 9,1 v et un condo de 10 nF pour "raboter" la composante HF. Je te tiendrai au courant dès les tests effectués.
Cordialement,
DBVElectron

[speedy08fr]

je nais rient vue a losilo les zener pas besoin car les module peuve etre alimantee en 12v avec les 2 modules je ne depasse pas 10v
je cherche un chema pour les watt a base de ad633
r schint 0.01 sur le +
tout sa pour une instalation solaire

[DBVElectron]

Bonsoir Speedy,
Très intéressant ton projet de wattmètre, mais pour calculer une telle application, il faut que tu m'indiques la tension max de tes panneaux solaires ainsi que le courant max traversant le shunt de 0.01 ohms.
Cordialement,
DBVElectron

[speedy08fr]

bonjour DBVElectron
la tension max des paneaux 18v courant max 100a soyon fous
mercie davence @+

[DBVElectron]

Bonjour Speedy,
Dis-moi, pourrais-tu installer la résistance de Shunt sur le moins ?
Cela serait plus simple pour des raisons de réjection de mode commun.
@ +
DBV

[DBVElectron]

Bonjour Speedy,
Sorry, je n'ai pas réagi tout de suite aux 100 A : avec un shunt de 0.01 ohms, cela fait une jolie chaufferette de 100 w, au prix du watt en solaire,, c'est cher payé. Dans ce cas, il orienter son choix vers des capteurs de courant à effet Hall. Sans faire de pub, Lem fabrique des modules très abordables.
Je poursuis le design en ce sens. Fais-moi savoir tes commentaires.
Cordialement,
DBVElectron