Mesure de tensions différentielles multiples

[regmars]

Bonjour à tous,

Voici mon problème exposé à vos brillants cerveaux en ébullition.

Je cherche à mesurer des tensions de -1.5V à +1.5V sur une pile de cellules electrochimiques.
Comme ces petites cellules sont un peu particulières, elles peuvent, en cas de défaut, produire une tension négatives.
Je peux avoir entre 25 et 40 cellules empilées. Il faut les voir comme une batterie où on chercherait à mesurer les tensions de cellule unitaires.

J'ai essayé de m'attaquer au problème avec des ADC AD7124 en mode pseudo-differentiel.
Le problème est que ma tension d'alim pour ce convertisseur est de 3.3V, ce qui est bien en deçà de la tension totale de mes petites cellules.
J'ai bien pensé à utiliser des chips dédiés aux batteries mais ils ne sont prévus pour une mesure de tension négative.

J'aimerais beaucoup me passer d'une alim 40V pour réaliser la fonction et j'ai déjà une base de carte à uP avec un SPI isolé.
Quelqu'un aurait-il une idée pour pouvoir descendre la tension unitaire "facilement" ?
Je suis également preneur d'autres solutions (sans AD7124).

Merci d'avance pour vos conseils et bien entendu, je reste à votre disposition pour toute précision.
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[invite03481543]

Bonsoir,
Il faudrait préciser le modèle de vos accus.
Il n'est jamais bon qu'un accu se retrouve avec une inversion de polarité, le mieux est de s'attaquer à la cause qui conduit à cet état indésirable avant de chercher plus loin.
Donc développez .

[Montd'est]

Amplificateur d'instrumentation ?

[regmars]

Bonsoir,

Merci pour les premières réponses.
Je comprends l'inquiétude de Hulk28 de voir des cellules d'accus avec une polarité inversée. Perso je m'enfuirais en courant
Il ne s'agit pas de cellules d'accumulateur dans mon cas mais de cellule à hydrogène.
Je pourrais vous faire un cours de quelques pages sur le pourquoi du comment une cellule de ce type peux produire une tension inverse mais j'ai peur que cela ne finisse par diluer mon problème premier.
Pas d'inquiétude donc chers amis, je ne vais pas mettre en danger la vie de qui que ce soit.

J'envisage devant chaque entrée de mon AD7124 de placer un AOP monté en atténuateur (gain genre 1/10). Du coup je devrait pouvoir ramener ma tension totale de pile à une valeur inférieure à la tension d'alim du AD7124. Je vais perdre un peu en précision mais bon... cela peut-il fonctionner ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite03481543]

Bonsoir,
1/10 n'est nécessaire, la subtilité est ailleurs.
Il faut mesurer chaque tension cellule avec un soustracteur..
C'est à dire mesurer la tension du - cellule et du + cellule vis à vis d'une référence de précision.
Sans quoi vous aurez beaucoup trop de mode commun avec une mesure directe.
Quel est le nombre de cellules en série et le min/max en charge et décharge?

Les résistances à prévoir pour les ponts diviseurs devront être au moins à 0,5% avec un soft de mesure potable.
Le résultat est suffisant, on peut obtenir la mesure à +/- 10mV d'erreur quand c'est bien fait.

[regmars]

Bonjour,

Merci pour les conseils.

J'ai 25 à 40 cellules en série à mesurer (voir premier post).
Côté contraintes, je dois sortir sur un bus SPI et je cherche une plage de mesure de -1.5V à +1.5V par voie avec une tension totale comprise entre 0V et 40V.
Je voudrais pouvoir balayer les 40 voies en 100ms à 1s.
Une précision de +/-10mV par voie serait super appréciable !

Admettons que je monte un AOP soustracteur sur chaque voie, j'ai plusieurs questions :
1 - Je peux facilement faire du -1.5V +1.5V à partir de mon 3.3V en m’appliquant sur la symétrie de l'alim. Est-ce suffisant pour alimenter mes AOP ?
2 - Je ne vois pas bien où placer une référence de tension.
3 - Je place un pont diviseur en sortie du soustracteur car, si j'ai bonne mémoire, un gain<1 c'est pas terrible pour les AOP car ils risquent de se mettre à osciller. C'est bien ça ou je peux jouer mes résistances pour régler un gain de 0.1 ?
4 - A part pour des raisons économiques (évidentes) est-ce que sur le plan technique, une série d'ampli d'instrumentation ne serait-ils pas plus "performants" et plus faciles à mettre en oeuvre ?
5 - Même si je suis conscient qu'on peut faire beaucoup mieux en terme d'optimisation je devrais pouvoir renvoyer tout ça sur mes AD7124, je me trompe ?
6 - Si je dois filtrer mes entrées, dois-je plutôt le faire en entrée ou en sortie d'AOP ?
7 - Mon schéma de principe semble-t-il correct ?

[regmars]

Vous pensez quoi de celui-ci ?
http://www.ti.com/product/INA132

[invite03481543]

Je regarderai ça ce soir quand je serai rentré
A+

[regmars]

Tout le monde a droit à des vacances 😉

[invite03481543]

En tout cas à défaut de vacances c'est presque le WE et c'est tant mieux...Je regarderai comme promis, je ne vous oublie pas

[jiherve]

bonsoir,
cela devrait peut être aller mais faudra jongler avec les alimentations car le max d'alim c'est 36v et dans ce le max positif en mode commun s’établit à 70V, mais 0 minimum, si donc l'on veut pouvoir mesurer un chouilla en négatif il faudra l'alimenter avec une tension négative.

En admettant toutes les cellules positives on a donc 60V il faut alors que l'alimentation positive de l'AOP soit au moins égale à 31v ce qui laisse peu de marge pour l'alim négative car nous sommes proches du max de ce que tient le circuit , au mieux 2 ou 3 volts ce qui implique qu'il n'y ait pas trop de cellules inversées et qu'elles ne soient pas en "bas".
JR

[regmars]

Bonjour,

Hulk48, merci d’avance. Bon we !

Merci également pour ton aide jiherve. J’avais plutôt l’intention d’alimenter mes petit ina132 en symétrique +3.3/-3.3V.
Je ne mesure pas la tension totale mais juste une cellule.
Suis-je vraiment obliger d’alimenter ce composant avec des tensions aussi élevées ?
J’avoue que je n’ai pas bien regardé la datasheet encore pour connaître la tension |V+-Vin| acceptable.

[bobflux]

Attention à la tension de mode commun !

Si je comprends bien, tu as 40 cellules variant de -1.5V à +1.5V. Si elles sont toutes à +1.5V, le mode commun de la plus haute sera donc 60V. Et si elles sont toutes à -1.5V, alors le mode commun le plus négatif sera -60V.

Il s'agit donc de mesurer une tension différentielle de -1.5V...+1.5V avec un mode commun de -60V à +60V. D'après la datasheet du INA132 :

INPUT VOLTAGE RANGE
Common-Mode Voltage Range VO = 0V(V–) ... 2(V+)–2

Donc si le circuit est alimenté en +36V/0V le mode commun en entrée ira de 0V à +60V... ce qui ne couvre que la moitié de l'intervalle. Si il est alimenté en +/-3.3V le mode commun sera de -3.3V à 4.6V donc ça ne va pas.

Il faut donc un ampli d'instrumentation, ou un ampli différentiel, capable de gérer un mode commun de +/- 60V. Si c'est un ampli d'instrumentation, il faudra qu'il soit alimenté au moins en +/- 60V (ça court pas les rues) donc plutôt un ampli différentiel avec les résistances en entrée pour pouvoir l'alimenter sous une tension plus raisonnable. Ou un ampli "current sense" si t'en trouves un.

Au niveau différentiel, y'a pas la recherche par tension de mode commun en entrée chez mouser, mais sur le site analog.com elle y est, donc clique là, le LT1990 a l'air pas mal, il faudra l'alimenter en +/-5V, mais tu peux regarder les autres aussi... il faut bien regarder le mode commun d'entrée admissible, il varie en fonction de la tension d'alimentation, donc... vigilance.

Personnellement, afin d'éviter de dupliquer l'ampli différentiel 40 fois, je mettrais des switchs analogiques capables de supporter la totalité de la plage de tension (HV2201, HV2661 par exemple). Nous avons 40 cellules, donc 40 tensions différentielles, donc 41 entrées, mais l'une est la masse, donc on va compter 40. Partant sur un HV2201 qui a 8 switchs, il en faut donc 5 pour multiplexer les 40 tensions en 8, plus un sixième HV2201 pour en prendre une seule parmi les 8. Avec ça nous pouvons prendre la tension de n'importe quel point dans la chaîne ce cellules à hydrogène.

A la sortie des switchs, j'ajouterais un unique diviseur de tension pour ramener ça dans la plage d'entrée de l'ADC, éventuellement un ampli-op comme buffer, et l'ADC.

Et donc... à partir de là, considérant que la tension de ces machins ne doit pas varier très vite, je ne ferais pas du tout de mesure différentielle. Un ADC sigma-delta a assez de bits pour faire la soustraction en logiciel si les tensions d'entrée ne varient pas entre deux acquisitions. Comme l'acquisition est assez rapide, ça devrait le faire, et puis tu peux faire la mesure deux fois de suite pour vérifier qu'elle est stable. L'avantage c'est qu'il n'y a pas de résistances de précision, ou alors juste 2 pour faire un seul diviseur. Et c'est probablement le plus simple.

[regmars]

Merci bobflux pour ces conseils fort intéressants et de m'avoir alerté sur la tension de mode commun.

Donc, pour vérifier si j'ai bien compris, même si les cellules que je mesure ne sont pas référencées (la première cellule n'est pas reliée à mon gnd) je dois trouver un chip qui va admettre la tension totale dans sa gamme de mode commun. C'est bien ça ?

[regmars]

Merci bobflux pour ces conseils fort intéressants et de m'avoir alerté sur la tension de mode commun.

Donc, pour vérifier si j'ai bien compris, même si les cellules que je mesure ne sont pas référencées (la première cellule n'est pas reliée à mon gnd) je dois trouver un chip qui va admettre la tension totale dans sa gamme de mode commun. C'est bien ça ?

J'ajoute un petit schéma pour illustrer mes propos.

[bobflux]

> même si les cellules que je mesure ne sont pas référencées (la première cellule n'est pas reliée à mon gnd)

Tu peux expliquer ça précisément ?

Sans masse commune, le mode commun peut être n'importe quoi, et il contiendra probablement une grosse composante alternative 50 Hz, plus des parasites variés. Sans parler de l'électricité statique. Il y a de grandes chances que ça ne marche pas du tout.

> je dois trouver un chip qui va admettre la tension totale dans sa gamme de mode commun. C'est bien ça ?

Si ton empilement de cellules est isolé galvaniquement par rapport à la terre et à l'appareil qui va traiter les mesures réalisées par ton ampli différentiel, alors tu pourrais éventuellement relier la masse de l'ampli différentiel à n'importe laquelle des cellules, par exemple au milieu de la pile. Ça diviserait par deux le mode commun, et peut-être que ça autoriserait un plus grand choix d'amplis différentiels... mais bon, je sais pas si c'est utile.

[Antoane]

Bonjour,

Je ne sais pas si tu connais, bobflux, mais on trouve aussi des amplificateurs différentiels acceptant un MC sortant des rails d'alimentation, par exemple chez TI : http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina149-ep.pdf ou la techno "over the top" de chez AD : https://www.analog.com/en/products/lt6015.html

[bobflux]

Oui oui, c'est ce que je lui ai mis en lien, mais c'était au milieu du gros post donc facile à louper

Au niveau différentiel, y'a pas la recherche par tension de mode commun en entrée chez mouser, mais sur le site analog.com elle y est, donc clique là, le LT1990 a l'air pas mal, il faudra l'alimenter en +/-5V, mais tu peux regarder les autres aussi... il faut bien regarder le mode commun d'entrée admissible, il varie en fonction de la tension d'alimentation, donc... vigilance.

Donc précisons bien que sur un ampli différentiel, la plage de mode commun admissible est plus grande que la tension d'alim, ça dépend du ratio des résistances qui sont dedans. C'est expliqué dans la datasheet du LT1990, et probablement des autres aussi.

[regmars]

Je regardais ce matin la datasheet du LT1997-2, qui ressemble fortement au LT1990 et qui offre une atténuation de sortie. On peux avoir avoir un gain de 0.1, ce qui m'arrange car je pourrais me passer d'un diviseur derrière le composant.

En considérant un LT1997-2, VS+ = 3.3V, VS- = -3.3V et VREF = 0, nous sommes d'accord que ma gamme d'entrée va être (selon la datasheet page 13) ?

MAX VEXT = (VS+ –1.75) x (1+RG/RF) – VREF x RG/RF
MIN VEXT = VS- x (1+RG/RF) – VREF x RG/RF

soit,

MAX VEXT = 17.05V
MIN VEXT = -36.3V
pour un gain de 0.1 (RG=250k, RF=25k)

Pour un VS+ = 5V et VS- = -5V, on a :
MAX VEXT = 35.75V
MIN VEXT = -55V

Pour l'histoire de référence, je m'explique avec de jolis dessins.
Dans le schéma "cellules_non_referencees" la première cellule n'est pas connectées à la masse de mon système de mesure.
Dans le schéma "cellules_referencees" la première cellule est connectée à la masse du système de mesure.

Qu'est-ce qui m'empêche de réaliser le premier schéma ? Si rien ne s'y oppose, comment faut-il considérer la Vmc ? Les "désagréments" encourus sont-ils ceux que tu mentionne bobflux ?

Merci.

[bobflux]

Ah oui, je me suis trompé, j'avais mis en lien la datasheet du LT1990-10 qui a un gain de 10 et donc ne convient pas. Je voulais dire le LT1990 qui peut avoir un gain de 1. C'est le même principe que le LT1997-2, sauf que la valeur des résistances internes change.

Concernant le choix de l'AOP, eh bien perso je prendrais celui qui a un gain de 1 car ta plage de mesure fait 3V donc ça rentre dans un ADC dont la référence est 3.3V.

Au fait, tu as une contrainte sur l'impédance d'entrée ? Ces amplis n'ont pas un courant d'entrée nul, il faut faire attention à ce que ça ne perturbe pas la mesure, suivant l'impédance interne de tes cellules.

Et ce courant d'entrée des AOP, il faut bien qu'il ait un chemin de retour vers tes cellules... il faut connecter la masse quelque part !

[regmars]

Merci bobflux,

Effectivement, puisque ma mesure différentielle par cellule est ramenée à +/-1.5V le LT1990 avec son gain de 1 serait plus approprié.
D'autant plus que d'après la doc, ma gamme d'entrée serait de Vcm+ = 58V (pour V+=3.3V) et Vcm- = -62V (pour V-=-3.3V). Ça couvre largement mes besoins.

Pour l'impédance d'entrée, vu que les entrées du LT1990 sont pourvues d'une résistance de 1M, le courant d'entrée sera limité à 1.5µA (à 1.5V), ce qui représente l'épaisseur du trait pour une cellule capable de débiter une dizaine d'ampères.

Est-ce que je raconte des ânerie ou je peux me lancer à corps perdu dans mon schéma ?
On est d'accord que pour attaquer mon AD7124, je dois désormais considérer que la Vmc vu par ce dernier vaut 3V ?

[bobflux]

> Est-ce que je raconte des ânerie ou je peux me lancer à corps perdu dans mon schéma ?

Ca a l'air bon.

Note que ces AOP ont une entrée "REF", je pense que si tu mets 3.3V dessus alors le signal sera référencé par rapport à 3.3V/2, donc le zéro décalé de 1.65V, donc le signal -1.5 ... 1.5 deviendra 0.15V - 3.15V ce qui est pile poil avec un ADC en 3V3.

Mais si ton ADC rentre un signal centré sur 0V c'est pas la peine. J'ai pas vérifié.

> On est d'accord que pour attaquer mon AD7124, je dois désormais considérer que la Vmc vu par ce dernier vaut 3V ?

Qu'entends tu par Vmc?

[regmars]

L'ADC possède une pompe de charge en interne activable par soft pour générer une référence négative (très pratique car ça lui permet de mesurer une tension <0).

Vmc = Tension mode commun

[Vincent PETIT]

Salut,

D'autant plus que d'après la doc, ma gamme d'entrée serait de Vcm+ = 58V (pour V+=3.3V) et Vcm- = -62V (pour V-=-3.3V). Ça couvre largement mes besoins.

Mince, je n'arrive pas a retrouver ces données dans la doc du LT1990, sur quelle page l'as tu lu ?

A+

[regmars]

C'est sur la page 14

For G=1 and G=10 where GAIN1 and GAIN2 are only tied together.

Vcm+ <= 27 x V+ - 26 x Vref -23
Vcm- >= 27 x V- - 26 x Vref -27
...

[bobflux]

OK

En sortie du LT1990 il n'y a pas de mode commun puisque la sortie n'est pas différentielle, c'est juste une tension unique ! Et l'entrée VREF donne un décalage, finalement j'ai vérifié c'est à la page 14 :

VO = G • (V+IN – V–IN) + VREF

Donc si ton ADC prend un signal centré sur 0V il suffit de relier VREF à 0V et l'AOP sort 0V quand la différence entre V+ et V- est nulle. Ou si ça avait été un ADC 0-3.3V il aurait fallu 1.65V sur VREF pour centrer la tension de sortie sur 1.65V.

Si ton ADC a une entrée différentielle, tu peux toujours router la partie "-" de la paire vers la masse à côté des ampli-ops mais bon, si t'as un plan de masse et aucun courant fort qui circule dedans, pas trop d'intérêt.

[regmars]

Ok, c'est bien ce que je pensais.

En tout cas, merci pour ton aide précieuse et ton temps.
Je vais m'attaquer à la suite (schéma, routage et tout le toutime...)

Un grand merci également à tous les autres contributeurs.

Je vous donne des nouvelles dès que j'ai un proto

[bobflux]

Bien bien

Tu pourras montrer le routage si tu veux un avis.

Au fait, ton ADC a pas 40 entrées, tu en mets plusieurs ou bien tu mets un switch ?

[regmars]

Non, j'en mets plusieurs, c'est un peu riche, je le reconnais, mais ça me facilite grandement la vie derrière.

Merci encore en tout cas !

[regmars]

Bonjour à tous, comme promis je vous donne des nouvelles du front.

J'ai reçu mon proto hier et j'ai passé la journée pour ajuster mon code.
Il a tourné toute la journée.
Ça marche plutôt bien, hormis que parfois, les AD7124 semblent s’arrêter et nécessitent un reset.
Je comprends pas bien pourquoi mais je vais finir par le découvrir...