Limiteur courant sortie AOP et protection surtension

[trendkiller]

Bonjour,

J'ai un petit montage tout simple qui permet de convertir une tension variable jusque 3V3 (0.15V min) à 5V.

Un simple AOP TS1871 en ampli non inverseur. Les résistances sont 6k8 et 3K65 pour un gain de 1.537. L'alimentation de l'AOP est à 5V5.

1)

J'aimerais pouvoir protéger l'ampli en cas de court circuit franc vers le 0V sur sa sortie. D'après la datasheet il peut débiter jusqu'à 80mA, corrigez moi si je me trompe,
on dissiperai alors 5.5V x 80mA = 0.44W. Avec un Rthja de 250°C, ça fait 110°C en monté de température, on reste encore dans les spec du Tj max de 150°C jusqu'à 40°C ambiant. Je néglige le courant d'alimentation de 600uA max. Ça doit passer mais si possible j'aimerais limiter le courant de sortie, vers 20mA qui est le courant min qu'est capable de débiter l'AOP.

Est-ce qu'il existe des solutions pas trop usine à gaz pour faire ça ?
J'avais penser au plus simple à une résistance série sur la sortie, mais avec la charge en sortie, il y aura une chute de tension donc pas possible.

2)
Cette sortie va sur un connecteur et peut donc être soumise à mauvais branchement, notamment en lui appliquant 18V directement dessus. La aussi j'avais pensé à mettre 2 diodes tête bêche sur la sortie mais il faut une résistance en série pour limiter le courant, donc même problème de chute de tension que précédemment. J'imagine également qu'en fait ça ne sert à rien, même si la diode devient conductrice vers le 5V en cas de surtension, le 18V sera toujours appliqué à la sortie de l'AOP, donc destruction j'imagine.


3) Allant sur un connecteur j'aurais voulu aussi protéger contre les ESD avec une diode ESD en parallèle sur la sortie. Ça ne pose pas de soucis à la sortie de l'AOP ? par exemple une 6V.

Je conçois que ça pourrait ne pas être possible de tout mêler.
D'ailleurs un fusible réarmable ne pourrait-il pas répondre à la question 1 et 2 ?
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[Qristoff]

Bonsoir,
pour la limitation de courant, tu peux insérer la résistance entre la sortie et déplacer le point de contre réaction derrière la résistance, ainsi cela n'influe pas sur la tension de sortie .

[trendkiller]

Bonjour,

Merci pour l'info je ne connaissais pas cette méthode. Après j'ai fait le test sur table, il résiste bien au court circuit vers le 0V déjà, un pue de débit de courant mais ça ne chauffe quasiment pas.

Pour ce qui est de protéger d'une tension excessive appliquée sur la sortie, une idée ?

[jiherve]

bonsoir
ben avec la resistance en série comme indiqué par Qristoff il suffit de deux diodes placées sur la sortie de l'AOP et rappelées aux alimentationx, ou un transil à la masse.
La solution dépendra évidemment de la tension max escomptée.
JR

[A voir en vidéo sur Futura]

[Vincent PETIT]

Bonjour,
La diode transil pourrait protéger aussi des ESD mais son dimensionnement n'est pas simple si on a en tête de clamper la surtension dès qu'elle dépasse Valim de l'AOP. Il faut peut être aussi avoir des diodes d'écrêtage capable d'encaisser le temps que la transil agisse. A noter aussi que les petites transils sont un peu capacitive, la contre réaction devra peut être compensée.

[trendkiller]

Bonjour,

Merci pour les conseils, avant de regarder les diodes, au risque de passer pour un ignorant, je n'arrive pas à simuler correctement le montage avec cette résistance en plus (Spice et sur table).
Si le courant demandée en sortie est trop important, la tension chute tout de même, j'ai peut-être mal compris le placement de la diode comme le suggérait Qristoff.
Là la charge est de 100k donc ça va, mais si je descend trop bas ça chute.
Ou alors il faut encore baisser la résistance de 33R...mais pour limiter le courant de la diode de clamp ça me parait faible, en simulant avec une diode PMEG4010, j'ai 320mA réinjecté dans le 5V5, or le 5V5 sert uniquement à alimenter cette AOP...

[jiherve]

bonsoir,
la limitation du courant se sortie avec ce schéma (qui est bon) ne fonctionne que si la tension en charge espérée est bien au dessous de celle que l'AOP peut fournir, il n'y a pas de miracle !
JR

[Qristoff]

Ton explication n'est pas ultra fluide..

J'ai un petit montage tout simple qui permet de convertir une tension variable jusque 3V3 (0.15V min) à 5V.

tu cherches à passer d'une gamme de tension 0,15/3,3V à 0,230/5V avec un gain 1,537. On peut se poser la question de l'utilité de la conversion dans un premier temps
Ensuite, tu parles d'un TS1871 et ta simulation fait référence à un AD8031. Les deux amplis n'ont pas du tout les mêmes caractéristiques et sont incomparables.
Enfin, les protections contre les formes d'ondes ESD et les surtensions liées à un défaut externe (typiquement une surtension), dont la durée peut être beaucoup plus longue, ne sont pas comparables.

[trendkiller]

Oui c'est tout à fait ça, 0.15/3V3 vers 0.23/5V.
Globalement ma carte peut être alimentée de 4.75V à 36V provenant de plusieurs sources d'alimentations possible dont de l'USB, d'où le 4.75V.
Cette source de tension principale est ramenée à 3V3 par un buck pour alimenter ma carte. De ce 3V3 je ramène entre autres du 5V pour quelques périphériques qui en ont besoin via des boost.
J'avais dédié un 5V5 à la base pour cet ampli car mon premier AOP n'était pas rail to rail, mais de toute façon c'était une erreur car il demandait bien plus que 0.15V en entrée pour fonctionner.
Je me suis donc rabattu sur ce nouvel AOP.
Effectivement ma simulation n’intègre pas le bon AOP, c'est pour ça que je fais le test sur table également.
Le but principal est de fournir une référence de tension, me demander pas la charge, ça peut être tout et n'importe quoi, l'idéal étant aussi de pouvoir fournir un peu de courant, quelques dizaines de mA, c'est déjà pas mal. D'où le choix AOP en ampli, j'ai un micro derrière qui fournit le 0.15/3V3.

J'ai bien conscience de la différence entre la protection ESD et de celle en surtension longue, d'où mon post pour mêler tout ça. J'ai déjà pu sur certains montages mêler les 2, grâce à Vincent Petit d'ailleurs, mais le montage s'y prêtait bien, il y avait une résistance en série sur la ligne.

[trendkiller]

Petit UP.

Je vais formuler une autre question, comment vous vous y prendriez pour convertir le 0V15-3V3 en 0V23-5V, en ayant la capacité de sortir au moins 250mA avec la protection contre du 18V continu sur la sortie ?
Je dispose d'un boost 3V3/5V5 pour alimenter le tout, mais on peut envisager d'utiliser une tension différente en changeant le convertisseur (il ne peut sortir que 5V5 max).

[Qristoff]

Salut,
je partirais bien sur un truc dans le genre

Mais il faut un peu faire grimper la tension d'alimentation à au moins 10V (V2).
D1 empêche de tuer Q1 en cas de +18V sur la sortie et D2 protège l'entrée de U1.
Pour la protection en court circuit en sortie, tu peux insérer un polyfuse en série avec D1.

[Antoane]

Bonjour,

On peux aussi utiliser un "transistor protégé" comme élément de puissance.
Un LDO de le famille LT36xx, par exemple, pourrait faire l'affaire :

datasheet
White paper: New Linear Regulators Solve Old Problems

- L'AOP, R2, et R3 réalisent la mise à l'echelle pour passer de 0V15-3V3 à 0V23-5V (par exemple : R3=10k et R2=4.99k, ou R3=22k et R2=11k)
- R1 sert protection contre les sur-intensités en limitant le courant délivré par le circuit. Le choix de R1 se fait à partir de la datasheet : " The typical ratio of current limit to resistor value is 360mA/kΩ with a 450Ω offset". Autrement dit : R1 = I_lim/360 + 0,450 (avec R1 en kOhm et I_lim en mA). R1 n'est pas un composant de puissance, une résistance de 1/8 W suffit.
- D1 protège lorsqu'une tension (jusqu`a 36 V) est appliquée en sortie du montage.
- On peut par ailleurs profiter des sorties Imon et Temp du LT3681, qui permettent, pour le prix d'une résistance d'avoir une mesure de la température de la puce et du courant délivré en sortie.
- Pour pouvoir délivrer 5V en sortie, Vcc doit valoir au moins environ 7 V. Utiliser une schottky pour D1 et un LDO de la famille LT80xx permettrait de diminuer cette valeur.

@Qristioff : pourquoi ne pas supprimer R4 ?

[Qristoff]

Bonjour,

@Qristioff : pourquoi ne pas supprimer R4 ?

Qu'est ce qui limite le courant de sortie de U1 en cas de CC ?

[trendkiller]

Hello,

Celui avec le transistor en sortie d'AOP c'est ce que je pensais regarder. Du coup j'ai commencé à le simuler en premier, je n'ai pas 5V en sortie mais 4V55 quelque soit le courant dans la charge. Avec 5V45 sur la base du NPN. C'est normal cette chute de tension ?

[Qristoff]

montre le schéma de ton modèle.

[trendkiller]

Pffff, erreur bête, dans la tension à amplifier, par habitude j'ai noté 3V3, spice ne le comprend pas il faut noter 3.3V...
La simu est OK du coup.

Je vais tester tout ça sur table.

Thks,

[trendkiller]

Par contre ça pique sur la dissipation!
En simulant de 20R à 1K, j'ai une dissipation max de 1.1W...sur un 2N2222.

[trendkiller]

Bonjour,

On peux aussi utiliser un "transistor protégé" comme élément de puissance.
Un LDO de le famille LT36xx, par exemple, pourrait faire l'affaire :
Pièce jointe 433496
datasheet
White paper: New Linear Regulators Solve Old Problems

- L'AOP, R2, et R3 réalisent la mise à l'echelle pour passer de 0V15-3V3 à 0V23-5V (par exemple : R3=10k et R2=4.99k, ou R3=22k et R2=11k)
- R1 sert protection contre les sur-intensités en limitant le courant délivré par le circuit. Le choix de R1 se fait à partir de la datasheet : " The typical ratio of current limit to resistor value is 360mA/kΩ with a 450Ω offset". Autrement dit : R1 = I_lim/360 + 0,450 (avec R1 en kOhm et I_lim en mA). R1 n'est pas un composant de puissance, une résistance de 1/8 W suffit.
- D1 protège lorsqu'une tension (jusqu`a 36 V) est appliquée en sortie du montage.
- On peut par ailleurs profiter des sorties Imon et Temp du LT3681, qui permettent, pour le prix d'une résistance d'avoir une mesure de la température de la puce et du courant délivré en sortie.
- Pour pouvoir délivrer 5V en sortie, Vcc doit valoir au moins environ 7 V. Utiliser une schottky pour D1 et un LDO de la famille LT80xx permettrait de diminuer cette valeur.

@Qristioff : pourquoi ne pas supprimer R4 ?

Je vais regarder ça aussi.
Par contre en regardant la datasheet, je me pose la question, tel quel, avec 18V appliquée sur la sortie, on crame directement l'AOP interne sur la broche - ?

[Antoane]

Bonjour,

Je vais regarder ça aussi.
Par contre en regardant la datasheet, je me pose la question, tel quel, avec 18V appliquée sur la sortie, on crame directement l'AOP interne sur la broche - ?

Les 18 V en sortie sont renvoyés aux bornes de C1 via la diode interne au LT3081, l'AOP interne voit donc 18V sur son entrée "-" mais également sur son alimentation donc pas de problème.

Qu'est ce qui limite le courant de sortie de U1 en cas de CC ?

Pour ça, j'utiliserais les protections internes de U1 (il "suffit" de choisir un composant tolérant un cc continu sur sa sortie) plutôt que d'obliger à utiliser une tension de bus (fortement) sur-élevée : pour 200 mA de sortie, il faut 1 à 2 mA dans la base, soit 1 à 2 V aux bornes de R4. Mettre D1 en série avec le collecteur limiterait ce drop-out additionnel (avec un diode supplémentaire entre émetteur et base du NPN).

[Qristoff]

Salut,

Mettre D1 en série avec le collecteur limiterait ce drop-out additionnel

dans ce cas, tu ne protège plus Q1 contre le 18V ? tu vas avoir une tension inverse sur la jonction B-E

[Qristoff]

Tu peux aussi faire une limitation de courant sur Q1

[Antoane]

Salut,
dans ce cas, tu ne protège plus Q1 contre le 18V ? tu vas avoir une tension inverse sur la jonction B-E

Ou bien on la laisse passer en avalanche (mauvaise idée) ou bien on ajoutes la diode, que je suggères en #19, en inverse entre base et émetteur et on laisse les charges s'écouler à la masse via la sortie de l'AOP (R4 est alors indispensable).

[Qristoff]

Après réflexion, il vaut mieux brancher l'émetteur de Q2 sur l'anode de D1. Ainsi, elle protège les deux transistors Q1 et Q2. Et on ajuste R6 pour la limitation de courant.
Là, je pense qu'on est pas mal robuste, tension et courant

[Qristoff]

Ou bien on la laisse passer en avalanche (mauvaise idée)

j'aime pas les avalanches, ça me fait peur

[Antoane]

Avec Q2, effectivement la diode est au mieux comme au #21 puisque sa chute de tension est invisible.
Amusant : lorsqu'une tension est appliquée sur la sortie, Q2 fonctionne en transistor inverse (l'émetteur devient le collecteur et vice-versa) et la courant de base est fourni par le courant inverse de la shottky. pas de risque d'emballement ou assimilable cependant, le gain du transistor est alors de l'ordre de 1

[trendkiller]

Effectivement c'est pas mal, il y a la protection en courant et on peut s'affranchir de la dissipation du transistor en lui mettant une alimentation dédiée plus faible. Je vais regarder pour tester ça sur table.

[Qristoff]

Je vais regarder pour tester ça sur table.

tu nous feras un retour d'expérience ?

[trendkiller]

Hello,

J'ai testé ce montage sur table, et bien ça fonctionne plutôt bien. En mettant une alimentation 12V pour l'AOP et une d'environ 7V pour le transistor, j'arrive à limiter l'échauffement si la charge est court-circuitée. J'ai trouvé un transistor qui ne chauffe pas trop et de taille raisonnable, je monte à 60-70°C en CC. Par contre ça demande 2 convertisseurs DC/DC mais bon...
J'ai également testé en appliquant du 18V sur la sortie, pas de soucis, la première diode bloque bien et la seconde clampe également pour protéger l'AOP, top!