Mesure de millivolt avec écrêtage

[invitea79be768]

Bonjour à tous,

Je fais appel à vos connaissances en électronique pour savoir si mon projet est faisable. J'ai des bases en électronique, je connais les termes et le fonctionnement des composants indépendamment les uns des autres mais quand il s'agit de tous assembler je me perds un peu.

Voilà ma problématique :

Je travaille sur des tests d'endurance contacteurs. Un test d'endurance contacteurs consiste à faire cycler un contacteur ( ouverture / fermeture des contacts principaux) un nombre de fois prédéfinie (50 000 fois en général) pour valider son fonctionnement mécanique.

Durant ce test, je dois mesurer la chute de tension aux bornes des contacts principaux (mesures différentielles effectuées en amont et en aval du contacteur)
Le test s'effectue sur différents contacteurs avec différentes gammes de tension : 28 VDC, 115 VAC, 230 VAC.

Mon objectif est de mesurer la chute de tension avec une précision de 1 mV.
Donc j'aimerais utiliser une carte d'acquisition avec une résolution de 16 bits sur une plage -1V / +1V (pour avoir la plus grande précision possible).

Le problème c'est que lorsque le contacteur est ouvert, il y a la présence de la tension nominale à ses bornes (230 VAC dans le pire des cas) ce qui serait destructif pour la carte d'acquisition.

C'est la que la partie floue pour moi arrive... Si je ne dis pas de bêtise, je pourrais utiliser une diode Zener pour écrêter la tension non souhaitée sauf que la tension de seuil d'une diode est d'environ 0,6V soit 600mV et les chutes de tension mesurées sont de l'ordre de 100mV.

Comment faire donc pour écrêter une tension ( dès qu'elle dépasse 10V admettons pour qu'une carte d'acquisition -10V/+10V puisse l'accepter) tout en gardant la possibilité de mesurer la tension au mV près ?

J'espère avoir été assez précis dans ma description. N'hésitez pas à me dire si je suis complètement à côté de la plaque et dans le cas échéant si un montage électronique est possible pour répondre à mon besoin. Dans ce cas la je me pencherai sérieusement sur de la simulation ou même du prototypage pour explorer cette solution.

Merci d'avance.
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[antek]

Au débotté :

- contacts chargés par une résistance
- transformateur de courant en série dans le circuit
- ddp déduite du courant mesuré

[Antoane]

Bonjour,

les chutes de tension mesurées sont de l'ordre de 100mV.

Cela me parait assez colossal, mais soit

C'est la que la partie floue pour moi arrive... Si je ne dis pas de bêtise, je pourrais utiliser une diode Zener pour écrêter la tension non souhaitée sauf que la tension de seuil d'une diode est d'environ 0,6V soit 600mV

L'idée est bonne, il faudra juste penser à intercaler une résistance entre le contact du relais et la zener pour que cette dernière ne cherche pas à écreter les 230 V appliqués au relais à l'état ouvert.
Une diode présente uen chute de tension de l'ordre de 0.6V à l'état passant mais une zener (ou plutôt deux en série pour réaliser un composant bidirectionnel) pourra écrêter à des niveaux plus importants : la tension de zener de la diode. Une autre solution, similaire, consiste à remplacer la diode d'écrêtage pour plusieurs diodes en série.
On pourra éventuellement bricoler un circuit équivalent à une zener idéale si il se trouve que la zener présente une résistance dynamique trop faible, mais je doute que ce soit nécessaire.
Vérifie bien que tu as "le droit" de connecter les contacts du relais directement à la carte d'acquisition, qui est possiblement référencée à la terre - ou au moins a une tension d'isolement limite avec la terre à ne pas dépasser.

Mon objectif est de mesurer la chute de tension avec une précision de 1 mV

C'est une demande très raisonnable, d'autant plus s'il est envisageable d'étalonner l'appareil.

[invitea79be768]

Merci pour vos réponses,

antek,

Qu'entends-tu par contact chargés ? Une résistance en parallèle des contacts principaux du contacteur ?

Antoane,

100mV j'ai vu grand cela se rapproche plus de 30 ou 50mV Mais j'ai quand même 600A qui passe dans le circuit.

intercaler une résistance entre le contact du relais et la zener pour que cette dernière ne cherche pas à écrêter les 230 V appliqués au relais à l'état ouvert.

Je cherche à écrêter justement la tension de 230V lorsque le contacteur est ouvert... ou alors j'ai mal compris ta phrase.

Pour en revenir à la diode, si sa tension de seuil est 0,6V, elle est donc bloquée en dessous de cette valeur. Comment je fais du coup pour mesurer une tension de 100mV ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

C'est la que la partie floue pour moi arrive... Si je ne dis pas de bêtise, je pourrais utiliser une diode Zener pour écrêter la tension non souhaitée sauf que la tension de seuil d'une diode est d'environ 0,6V soit 600mV et les chutes de tension mesurées sont de l'ordre de 100mV.

Supposons qu'il existe des diodes idéales, avec 0 V de tension de seuil. Comment les utiliserais-tu, quel schéma mettrais-tu en oeuvre ?

[antek]

Qu'entends-tu par contact chargés ? Une résistance en parallèle des contacts principaux du contacteur ?

En série !

[invitea79be768]

Antoane,

Je la mettrai en parallèle des contacts principaux de mon contacteur. Je pourrai écrêter les tensions trop fortes et pourrais mesurer les tensions entre 0 et 100mV par exemple ? Avec une résistance en série pour limiter le courant.
C'est pas si simple avec une diode Zener parfaite ?

[invitee05a3fcc]

J'ai bien peur que ça ne se termine par un joli feu d'artifice si il n'y a pas d'isolation galvanique entre le contact à mesurer et la centrale de mesure .

Je vois deux solutions :

• Mettre un p'tit µC qui fait la mesure de la tension (avec un ampliOP pour remonter le niveau analogique). Les mesures sont envoyées par l'UART du µC sur une liaison série avec un optocoupleur . Il faut une alimentation DC individuelle
  
• Utiliser un ampliOP avec une isolation entrée/sortie (comme le AD202 http://fr.farnell.com/analog-devices...e%2Fw%2Fsearch ). Mais qui coute entre 40 et 50€ ! L'alimentation est de 15V DC commune à tous les AD202

Dans les deux cas, il faut le clamping par diodes en protection

[Antoane]

Bonjour,

Je la mettrai en parallèle des contacts principaux de mon contacteur. Je pourrai écrêter les tensions trop fortes et pourrais mesurer les tensions entre 0 et 100mV par exemple ? Avec une résistance en série pour limiter le courant.
C'est pas si simple avec une diode Zener parfaite ?

Je t'invite à faire un schéma complet de ce circuit, incluant la source générant le courant/tension commuté par le relais.

[invitea79be768]

Bonjour à tous,

Je reviens avec une solution que j'essaye de mettre en place, j'aimerais avoir votre avis sur le sujet. (Je reviens très tardivement sur le topic j'espère que cela sera bien pris...)

Comme vous le voyez sur le schéma, j'ai positionné deux Zener en tête bêche pour écrêter à la fois les alternances positives et négatives.
J'ai fais quelques calculs me donnant une résistance de polarisation de 4,7K afin d'avoir un courant dans la diode de minimum 49mA (voici la diode que je souhaiterais utiliser : https://www.vishay.com/docs/85816/1n4728a.pdf )

J'aimerais avoir votre avis sur le sujet.
Mon objectif est d'écrêter toute tension tension au dessus de 5,1V donc afin de ne pas détruire mes entrées analogiques +/- 10V et de lire la chute de tension lorsque le contacteur est fermé. J'aurais donc une tension d'environ 100mV avec une chute de tension d'environ 2mV sur ma résistance de polarisation j'aurais donc, à un offset près de 2mV, ma chute de tension.

Est-ce que vous pensez que je suis à côté de la plaque ou qu'il y a quelque chose à faire avec ça (avec moi )

Merci de votre temps.

Lucas

[invitee05a3fcc]

Est-ce que vous pensez que je suis à côté de la plaque ou qu'il y a quelque chose à faire avec ça

A ton avis, comment va se comporter ta centrale d'acquisition avec une tension sur les entrée de 230V 400 Hz ( contact fermé).

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La réponse est en #8

[Antoane]

Bonjour,

Ce montage est bon dans le principe. Quelques remarques cependant :
- as-tu bien vérifié que les entrées de la carte d'acquisition sont flottantes vis à vis de la source 230 V ? Il est possible que, par exemple, l'entrée '-' soit reliée à la terre, et par conséquent au neutre du 230V.
- une bonne idée peut être de répartir la résistance "de polarisation" (nom inadéquat, cf. plus bas) en deux résistance séries de valeurs moitiers, une branchée sur chaque contact du relais. Cela symétrise le montage (ce qui est psychologiquement très satisfaisant), diminue la tension vue par chaque résistance (230Vrms, soit 325V pic, cela fait beaucoup pour résistances classique 1/4 W), diminue la puissance dissipée par chaque résistance et sécurise le montage.
- en général, ce genre de test ne se fait pas avec une source de "haute-tension" de puissance mais avec deux sources : une de 230 V servant à polariser le montage lorsque le relais est ouvert et l'autre ne fournissant que quelques volts mais beaucoup d'ampères pour les tests à l'état passant - la transition étant automatique (voir par exemple cette discussion : http://forums.futura-sciences.com/el...est-digbt.html)
- le courant de fuite de la zener, combiné aux deux résistances, introduit une erreur dans le montage - erreur qui varie avec la température. Un courant inverse de 10 µA dans la zener est-il génant lors de la mesure ? Si oui, il sera possible d'utiliser un meilleur composant, voire un AOP en suiveur/amplificateur.

Peux-tu détailler le dimensionnement de la "résistance de polarisation" ? pourquoi avoir choisi ce courant de 49 mA (c'est une question rhétorique : je sais pourquoi et ce n'est pas une bonne idée ) ?

[invitee05a3fcc]

230Vrms, soit 325V pic, cela fait beaucoup pour résistances classique 1/4 W

Intuitivement c'est , au moins, une 15W !

[invitea79be768]

Merci encore une fois pour vos réponses rapide.

DAUDET78,

en effet la puissance dissipée est de l'ordre d'une quinzaine de watt mais j'ai qu'il existait des résistance de 4,7K avec cette puissance donc ça n'a pas été un point bloquant pour moi. Ensuite tu dis une tension de 230V mais elle est écrêtée par les diodes à 5,1V non ?

Antoane,

Ta remarque sur les entrées flottantes me fait répondre oui et non. Nous avons des alimentations statiques qui fournissent cette tension de 230V avec cette fréquence de 400Hz. Ma carte d'acquisition, pour l'instant, est le boitier NI 6210 USB branché à un PC. Mais la partie USB est bien-sur isolée du reste du circuit de la carte. En revanche, je relie sur la borne GND à la terre comme préconisé dans les schémas pour supprimer les tensions en mode commun. Il faut donc que je penche sur ce sujet.

Est-ce que si c'est dérangeant que ça d'utiliser une résistance qui dissipe bcp ? J'ai vu que des modèles existaient. Par contre je vais recalculer tout ça avec ta proposition sur les deux résistances.

Et oui, un courant de 10 µA avec ma précision demandée de 1mV peut devenir gênant.

Le courant de 49mA correspond au courant de test qui est, si j'ai bien compris la doc de la Zener que j'ai mis en lien, le courant minimal qu'il faut pour que la diode régule correctement. Il faut que Izmin<Iz<Izmax. Suivant la doc de la diode 1N4733A : 49mA<Iz<178mA
(Je rajoute que j'ai vu des diodes avec un courant min de 5mA sauf que du coup je me retrouvais avec une résistance de 120 Ohm dans mon calcul suivant et la bonjour les dégâts : 30W pour R et 2A qui passe dans mes diodes !)

Donc mon calcul pour la résistance de "polarisation" (tu appelles ça comment du coup?) :
(Ve - Vz)/ Izmin = (230 - 5,1)/0,049 = 4590 donc j'ai pris 4,7K en normalisée. J'ai considéré qu'il me fallait ce courant minimum de 49mA dans le pire des cas pour que les diodes régulent bien lorsque la tension de 230V est présente.

Pour terminer, j'ai vu bcp de choses sur les AOP mais je m'y perds un peu avec tout ces montages... Pourrais-tu m'orienter sur ce que tu pense être le mieux ? Ampli suiveur pour avoir une impédance très élevée et donc ne pas perturber la mesure c'est ça l'idée ?

[Antoane]

Bonjour,

Pour le dimensionnement de la résistance, tu prends le problème dans le mauvais sens. Le point à garder en tête est que si le courant est inférieur à I° (courant nominal), alors la tension aux bornes du composant sera inférieure à V° (tension nominale).
Que la tension aux bornes de la zener soit "suffisamment proche" de la tension nominale t'importe peu, il suffit qu'elle soit en deçà.

Cette résistance sert à limiter le courant circulant dans la zener à une valeur inférieure au max tolérable.


A peu près n'importe quel circuit d'amplificateur pourrait convenir, tout en :
- faisant le travail des zener, l'entrée d'une circuit intégré se comportant comme une zener quasi-idéale de tension de zener proche de la tension d'alimentation du composant (chaque entrée contient une diode entre l'entrée et chaque rail d'alimentation, qui écrête les tensions appliquées en entrée) ;
- Améliorant la résolution du circuit en utilisant mieux la pleine échelle de la carte d'acquisition.

[invitee05a3fcc]

Comment tu fais en sorte que ta carte ADC puisse supporter les tensions de 230V AC sur ses entrées lorsque la charge est alimentée par le relais ?

[invitea79be768]

Bonjour Antoane,

Ok merci pour tes précisions. C'est vrai que j'étais focalisé sur ce courant nominal mais en effet c'est pas un montage de régulation c'est juste pour écrêter.

L'information que je n'ai pas réussi à trouver (encore faut-il savoir où chercher...) c'est : est-ce que je peux connecter un montage d'amplificateur sur cette de tension élevée de 230V? Et de plus, quand j'entends amplification, je me dis ok pour quelques mV c'est bien d'amplifier pour faciliter la mesure mais ne vais-je pas aussi amplifier les 5,1V dans le même ratio ?

Enfin pour terminer, je veux éviter de mettre un transfo de rapport 1/1 pour l'isolation galvanique car je veux limiter les pertes et donc les écarts de mesures. Y voyez vous un soucis côté sécurité ?

[invitea79be768]

Re,

Bon je m'approche d'une solution qui, en tout cas en simulation, à l'air de tenir la route.

Je vous mets le lien permettant d'accéder à mon montage :

http://tinyurl.com/ybbe5g9y

Si cela ne fonctionne pas, je vous mets en pièce jointe un print écran.

N'hésitez à me faire vos retours sur ce montage.

Merci encore du temps que vous m'accordez.

Bonne soirée

Lucas

[Antoane]

Bonjour,

L'information que je n'ai pas réussi à trouver (encore faut-il savoir où chercher...) c'est : est-ce que je peux connecter un montage d'amplificateur sur cette de tension élevée de 230V?

L'ampli, pas plus que la carte d'acquisition, ne voit le 230 V.




Supposant que le problème de référencement du 230 V est réglé :

Et de plus, quand j'entends amplification, je me dis ok pour quelques mV c'est bien d'amplifier pour faciliter la mesure mais ne vais-je pas aussi amplifier les 5,1V dans le même ratio ?

Il faut s'arranger pour que l'amplificateur ne puisse pas délivrer plus de +/- 10 V, par exemple en écrêtant sa sortie (e.g. avec un montage à zener), en faisant saturer sa sortie (si le composant est alimenté en +/- 10V, il ne pourra pas sortir plus de +/- 10 V) ou encore en écrêtant suffisamment son entrée.

> http://forums.futura-sciences.com/at...rcuit-test.jpg
Resterait à dimensionner les deux résistances de 2.5 kOhm.
Utiliser un AOP permet de se passer des diodes zener.
Un peu de bibliographie :
http://www.analog.com/en/analog-dial...ge-clamps.html
http://www.ni.com/white-paper/4264/en/
https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwi...rated-circuits

[invitea79be768]

Antoane,

Supposant que le problème de référencement du 230 V est réglé :

Pourquoi en supposant ? Il reste encore un risque ? Ou c'est juste une manière de parler ?

Il faut s'arranger pour que l'amplificateur ne puisse pas délivrer plus de +/- 10 V, par exemple en écrêtant sa sortie (e.g. avec un montage à zener), en faisant saturer sa sortie (si le composant est alimenté en +/- 10V, il ne pourra pas sortir plus de +/- 10 V) ou encore en écrêtant suffisamment son entrée.

Ok mais grâce aux Zener en amont du montage suiveur et en l'alimentant en +/- 10 V je peux dire qu'il ne peut pas délivrer une tension supérieure à 10 V (même 5,8V en fait ) ?

Enfin merci pour toutes ces docs, je vais lire ça avec attention. Après, je souhaite parler de cette solution dans mon mémoire de fin d'études mais j'ai pas envie de dire j'ai acheté un AD8250 et tout marche sans savoir ce qui se passe dedans. Je préfère amener le problème en ajoutant chaque composant un par un en disant leur fonction et éventuellement à la fin dire : ce montage existe sur le marché. Mais j'aurais pu au moins montrer des calculs et justifier pourquoi j'ai fais ces choix.

Alors dernières questions : les résistances de 2,5k te paraissent mal dimensionnées ? J'ai un dissipation de 5W et moins de 100mA dans les Zener et une chute de tension assez faible lorsque mon contacteur est fermé. J'ai fait un compromis entre toutes ces exigences. Ca te parait faux ?

[Antoane]

Bonjour,

Pourquoi en supposant ? Il reste encore un risque ? Ou c'est juste une manière de parler ?

C'est pas encore ultra clair, en particulier car :

- en général, ce genre de test ne se fait pas avec une source de "haute-tension" de puissance mais avec deux sources : une de 230 V servant à polariser le montage lorsque le relais est ouvert et l'autre ne fournissant que quelques volts mais beaucoup d'ampères pour les tests à l'état passant - la transition étant automatique

Ok mais grâce aux Zener en amont du montage suiveur et en l'alimentant en +/- 10 V je peux dire qu'il ne peut pas délivrer une tension supérieure à 10 V (même 5,8V en fait ) ?

Oui.

Alors dernières questions : les résistances de 2,5k te paraissent mal dimensionnées ? J'ai un dissipation de 5W et moins de 100mA dans les Zener et une chute de tension assez faible lorsque mon contacteur est fermé. J'ai fait un compromis entre toutes ces exigences. Ca te parait faux ?

50 mA de courant est énorme et inutilement grand. Comment justifies-tu cette valeur ?
Si le courant de fuite de la zener est trop grand (vis à vis de quoi, dans quelle mesure le serait-il ?), il est possible d'utiliser un composant présentant moins de fuites.