La petite schémathèque de Futura

[Tropique]

Bonjour à tous,

Ce nouvel épinglé a pour but d'accueillir vos contributions, un peu à la manière de la section "Projets", mais de manière plus concise et conceptuelle.

• Introduction

Il ne s'agira plus de décrire un projet complet, spécifique et détaillé, mais juste un "bloc de fonction", avec éventuellement des valeurs numériques en exemple pour fixer les idées, mais pas obligatoirement: ce qui compte ici est bien le concept.

Attention, il faut que les circuits proposés soient de préférence originaux, ou au minimum méconnus: il ne sert à rien de resservir ce que l'on trouve partout sur le net sans difficultés.
Inutile donc de présenter un multivibrateur d'Abraham-Bloch, ou un doubleur Latour. Par contre, si vous connaissez une variante de multivibrateur inhabituelle ou originale, ou un doubleur qui n'est pas un Latour, ni un Schenkel ou un Greinacher, il est le bienvenu.

• Modalités pratiques

Comme pour les projets, les contributions devront d'abord être postées en électronique, où elles seront évaluées. Si leur valeur est avérée, elles seront transférées sur demande dans ce fil.
Il faut que toutes les informations tiennent en un seul message, de façon à permettre une indexation aisée et transparente.
Je maintiendrai un index en tête du fil, qui se divisera en catégories si la croissance le nécéssite.

Essayez d'être aussi clair et concis que possible, aussi bien pour le titre (qui a beaucoup d'importance), que pour la description, qui doit comporter un maximum d'informations utiles en un minimum de lignes.
Utilisez également figures et schémas à bon escient.

Les mots d'ordre sont: clarté et concision!

Pour "amorcer la pompe" et donner le ton, je vais donner quelques exemples.
D'autre part, si vous avez des idées ou des suggestions concernant la forme de ce fil, n'hésitez pas à en discuter avec moi.

A bientôt!
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[Tropique]

----------INDEX----------

• Doubleur de courant / diviseur de tension

• Création d'un point milieu virtuel sans pertes

• Une diode Lambda à transistors bipolaires

• Une source de courant 2 terminaux, tout NPN

• Une alimentation capacitive à faible puissance de stand-by

• Oscillateur sinus à pont de Wien à multiplicateur analogique

• Terminateur à résistance négative pour convertir un AOP en rail-to-rail

• Convertisseur F->V rapide, zéro-ripple

• Un détecteur de passage à zéro original

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• Tout le monde connait les multiplicateurs de tension, permettant de transformer une tension alternative en une tension continue multipliée par 2 ou n.
  
  
• En un peu moins connu, il existe aussi des circuits à pompe de charge permettant d'abaisser une tension continue.
  
  
• Ce qui est nettement plus rare, ce sont des montages partant d'une tension alternative, et délivrant une tension continue fraction de celle-ci.
  
  Il existe quelques exemples plutot rares et confidentiels, mais ils sont relativement complexes et inefficaces.

Le montage suivant permet de réaliser la fonction de diviseur par 2, de manière minimaliste et avec une bonne efficacité.

Le principe est de charger deux condensateurs C1 et C2 en série, et de les décharger en parallèle dans la charge.

L'aiguillage du courant se fait grâce à des diodes pour la charge, et un ou plusieurs MOS de puissance pour la décharge.

Un avantage de ce montage est qu'il quadruple la fréquence du secteur, ce qui améliore d'autant l'efficacité des condensateurs de filtrage, minimisant ainsi l'ondulation.

Cet exemple montre l'application à un transfo de 24V~, transformé en 14VDC sous un courant de 25A

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• Lorsqu'on dispose d'un transformateur simple, mais que l'on souhaite créer un point milieu (= center-tap), typiquement pour une alimentation symétrique, il est nécéssaire de passer soit par un diviseur résistif, avec l'inconvénient d'une résistance interne non-nulle et d'une dissipation supplémentaire, soit par un montage de type "masse virtuelle", qui sera plus stable, mais dissipera également de la puissance, particulièrement en cas de déséquilibre.

• Le montage suivant crée l'équivalent d'un point milieu résistif, mais sans les pertes. Il emploie pour cela la réactance de condensateurs non-polarisés, clampés aux rails de sortie pour restituer la composante continue.

Il a par conséquent l'inconvénient d'une mauvaise régulation, comme son équivalent résistif, mais qui peut être diminuée de manière arbitraire par l'emploi de condensateurs de plus forte valeur, sans la pénalité de la puissance dissipée comme avec des résistances.

Il peut être utilisé en association avec un circuit de masse virtuelle active, de manière à le soulager de sa dissipation dans des conditions de déséquilibre.

Ce circuit se décline en deux versions: l'une simplifiée, qui sera généralement celle utilisée, et ne faisant appel qu'à deux condensateurs non-polarisés:

Vctap1.gif



Et l'autre, complète qui permet de d'éviter le doublement de la tension de sortie à vide ou si le courant consommé est inférieur au courant réactif circulant dans les condensateurs.
Elle est à utiliser lorsque le montage doit pouvoir travailler à vide ou à de très faibles charges, mais en contre-partie exige deux condensateurs supplémentaires.

Vctap2.gif

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tropique]

• Il est possible de réaliser une version bipolaire de cette diode, avec l'avantage d'un comportement beaucoup plus déterministe qu'avec des FETs, dont la dispersion est importante.

La première figure montre la caractéristique I/V entre 0 et 10V: on constate qu'après le seuil des zeners (ce sont en principe des 4.7V, mais très "molles" à bas courant), la caractéristique s'inverse et devient négative:
LambdaBip1.jpg


Cette propriété peut être mise à profit dans divers types de circuits, dont les oscillateurs sont les plus connus.
Ici, un circuit résonant mis en série avec la diode lambda forme un oscillateur:
LambdaBip2.jpg

[Tropique]

• Cette source de courant est dérivée de la CCS à deux transistors classique, mais avec des adaptations qui permettent une amélioration des performances et un fonctionnement en deux fils.

• Cela permet de l'employer en "flottant" comme un simple composant à deux fils (il en existe dans l'industrie, les "diodes" CRxxx), mais avec des tensions et des courants qui ne dépendent que des composants employés, et peuvent donc être considérables.

Le schéma ci-dessous montre côte à côte une CCS normale, et le montage amélioré.
Pour travailler en deux fils, la résistance de polarisation R3 doit obligatoirement être ramenée à la sortie, ce qui dégrade évidemment la résistance de sortie.
Le montage de droite possède deux composants de compensation supplémentaires, qui annulent l'effet de la 100K, leur effet propre (eh oui, il faut y penser aussi!), et l'effet Early du transistor Q3.

La comparaison entre les deux montages est effectuée en ajoutant une modulation de 20Vpp superposée à la tension de fonctionnement de 50V, et en examinant les variations de courant.
On constate que la version non-modifiée a une variation de 420µApp, à comparer au 15µApp du circuit compensé.
Cela correspond à des résistances dynamiques de 48K et de 1.33 megohm respectivement, ce qui est une amélioration substantielle.

[Tropique]

• Les alimentations capacitives classiques ont beaucoup d'avantages lorsqu'il est possible de les utiliser (pas d'isolation): simplicité, encombrement, coût, fiabilité.

Elles ont malgré tout un petit inconvénient: toute la puissance inutilisée est gaspillée en chaleur, souvent dans une zener.

Ce n'est généralement pas trop un problème, ces alims étant majoritairement destinées à des applications consommant 1 watt ou moins.
En plus, un transfo de de 1VA ou moins consomme encore largement plus à vide.
Ce ne sont cependant pas des raisons pour baisser les bras: puisque la mode est à la chasse au gaspi, aux "sangsues" comme les appareils en standby, il faudrait essayer d'améliorer cet aspect.

• C'est tout à fait possible, et ce qui ne gâte rien, c'est simple et économique: il suffit de remplacer un composant par un autre:
  La zener est supprimée, et son rôle est repris par un condensateur.

Ce condensateur (C2) doit évidemment être placé en amont du redresseur, puisqu'on travaille en alternatif, et il forme avec C1 un diviseur capacitif qui limite la tension d'entrée.
Grâce à cet artifice il n'y a plus, théoriquement, de puissance consommée à vide. En pratique, il reste quand même encore des pertes, dans les condensateurs et les résistances de décharge et de limitation, mais elles sont infimes puisque les condensateurs de classe "X" sont généralement au polypropylène, et que les valeurs de résistances sont optimisées.

• Quels sont les inconvénients? (eh oui, il y en a: there are no free lunches, etc ...)
  
  

-Il faudra des valeurs de condensateur un peu plus importantes à courant de sortie équivalent, et le circuit n'a plus de régulation: il a une résistance interne ~égale à √2 fois la réactance de C2 à 50Hz.
Mais ce n'est pas dramatique: souvent, une régulation n'est pas indispensable, et en plus, avec cette méthode, on peut employer des régulateurs conventionnels, série ou à découpage, contrairement au circuit classique qui exige une régulation shunt.

• Ce circuit est donc une arme de plus pour faire des économies d'énergie, mais ce n'est pas la réponse universelle à tous les cas de figures: pour alimenter des appareils ayant une consommation presque constante, l'alim classique reste préférable.

Les composants sont les mêmes que pour une alim capacitive habituelle, sauf que la valeur de C1 est doublée. C2 doit être choisi pour avoir à vide une tension environ 50% supérieure à la tension en charge.
Il existe maintenant des condensateurs au mylar ou céramique de fortes valeurs, 25, 40 ou 63V et très compacts qui permettent cela sans difficulté, et pour un prix très raisonnable.



L'oscillogramme en exemple montre les tensions de sortie pour des charges allant de ∞ à 2K.

PS
Les diodes utilisées sont des schottky pour préserver jusqu'au dernier milliwatt, et rester dans l'esprit "anti-gaspi", mais des diodes ordinaires, type 1N400x conviennent évidemment.

[jiherve]

• Cet oscillateur est inhabituel car il emploie un multiplicateur analogique comme élément actif, ce qui donne un moyen simple de créer l'AGC nécessaire à la stabilisation d'amplitude.

La formule de la fréquence d'oscillation reste à la valeur classique, étant entendu que R2=R4 et C1=C2:

Pour les explications c'est assez trivial, on utilise l'ampli Z pour implémenter un oscillateur pont de Wien, le montage de base est celui d'un diviseur W = Y1+ 10*(Z2-Z1)/(X1-X2), la régulation d'amplitude est obtenu en redressant le sinus et en utilisant cette tension, seuillée par la zener pour contrôler le dénominateur de la division. Avec les valeurs du pont de CR (il faut comme d'habitude un gain légèrement supérieur à 3) cela oscille à tous les coups, par contre ce montage ne supporte pas un filtre d'ordre 2 (où je n'ai pas trouvé la bonne configuration qu'en pense Tropique ?) pour la régulation. En TBF (< 50Hz) la capa de filtrage doit être importante et cela pompe un peu avant de se stabiliser. Il peut être utilisé pour faire un petit générateur BF à condition d'accepter ce petit défaut, c'est très robuste quant aux variations de valeurs des composants.



Schéma créé par PA5CAL, fil d'origine ici:
http://forums.futura-sciences.com/el...ml#post4160955

[Tropique]

• Lorsqu'on désire que la sortie d'un AOP "normal" comme le LM324 puisse atteindre un des rails d'alimentation, il est possible d'ajouter une résistance de pull-up ou de pull-down (si le courant débité est faible).
  Il serait parfois souhaitable de ne pas dégrader l'état opposé, voire même de bénéficier également d'un effet identique.

Mais ajouter une deuxième résistance au rail opposé ne résoudrait rien, au contraire: la sortie serait tirée vers Vcc/2, ce qui dégraderait les deux états.

• Est-il possible d'avoir à la fois le beurre et l'argent du beurre?

Pour cela, il faudrait une résistance "intelligente", capable de se connecter au rail négatif quand la sortie est plutot basse, et au rail positif lorsqu'elle est haute.

• Une telle résistance existe-t-elle ailleurs qu'au pays du Père Noël ou des lapins de Pâques?

Oui!!!

C'est une résistance négative.


Une telle résistance peut avantageusement être synthétisée en rebouclant n'importe quelle porte CMOS non-inverseuse:



On constate que pour un courant croissant, le terminateur se comporte comme une résistance de 2420 ohm reliée à la masse, jusqu'au moment, vers Vdd/2 où la situation s'inverse.

Il suffit donc de relier l'unique port de ce terminateur "magique" à un AOP quelconque pour le convertir en "rail-to-rail".

Attention!!!

Il y a de nombreuses restrictions, exceptions, et limitations:

• Il faut que la structure de sortie de l'AOP s'y prête: certains refuseront de "lâcher" leur sortie, même si on injecte un courant dedans
• Il faut que le courant débité soit ~nul: charge ~infinie donc, mais également résistance de contre-réaction suffisamment élevée, ou ramenée à un potentiel ne causant pas de conflit avec l'état considéré.
• Le "truc" est valable en statique uniquement: quand la sortie est basse, elle "se bat" avec le terminateur pour le tirer vers le haut et vice-versa. Au moment où la transition se passe, il y a une inversion brutale qui n'est pas sans conséquences.
  Pour essayer d'imager la situation, représentez-vous en train d'essayer de démarrer un moteur: il résiste jusqu'au moment où il démarre, et là c'est le contraire: non seulement il ne résiste plus, mais il vous entraine, alors même que vous êtes arc-bouté dans la mauvaise direction.
  L'AOP est comme vous: il apprécie modérément ce genre de traitement, et la sortie va avoir un "hoquet" d'amplitude et de durée variable.
  Il y a des cas où c'est sans conséquences; d'autres où c'est désastreux: imaginez l'effet sur de l'audio.
  Cela peut même déstabiliser complètement le circuit en interférant avec la contre-réaction. Prudence donc, à tester soigneusement avant une mise en oeuvre réelle.

Considérations pratiques:

Toute porte ou combinaison de portes non-inverseuse convient. Il est nécessaire en pratique que la famille soit CMOS, pour atteindre le rail-to-rail. R2 fixe le courant de pull-up/down; R1 fixe le niveau de réaction positive. Elle doit être suffisante pour que l'effet de résistance négative soit sans ambigüité, mais pas trop sous peine de créer un hystérésis excessif. Un rapport de 1 à 10 est un bon point de départ, qui peut être affiné si nécessaire.
Attention que pour des tensions Vdd élevées, la dissipation de la porte pourra être conséquente si Vin~=Vdd/2.
Encore une fois, attention à bien tester l'application, certaines ne conviennent pas du tout, d'autres s'en accommodent à merveille: un redresseur parfait ainsi traité a non seulement vu sa gamme de tension de sortie élargie, mais en bonus a eu ses performances en fréquence presque doublées.
D'autre part, un AOP n'est pas l'autre, et un type peut être parfaitement stable, alors qu'un autre réagira très mal.

Malgré toutes ses restrictions, ce circuit peut rendre des services précieux s'il est utilisé intelligemment et raisonnablement.

[Tropique]

• Les convertisseurs F/V à pompe de charge souffrent d'un compromis entre ripple en sortie (ondulation) et rapidité: si l'on augmente le filtrage, on réduit le ripple mais au détriment du temps de réponse.

Si le signal d'entrée est carré, un post-échantillonneur permet d'extraire la valeur moyenne, tout en éliminant complètement le ripple en régime établi.
Cela autorise un filtrage très faible, et par conséquent une bonne rapidité.

Dans sa version la plus simple, le post-échantillonneur peut être un simple transistor bipolaire.


On voit ci-dessous l'application à une pompe de charge basique (attention, elle n'est linéaire que pour des faibles tensions de sortie): la simulation montre la réaction face à un passage de la fréquence de 500Hz vers 1KHz.
En bleu, le créneau d'entrée, en rouge, la sortie "conventionnelle", fortement ondulée, et en vert, le signal final nettoyé.

Ce principe est applicable aux autres convertisseurs de cette catégorie, y compris les plus sophistiqués.

[Tropique]

• Voici un détecteur de passage à zéro inhabituel, et à ma connaissance inédit.

Ce circuit génère une impulsion de courant positive, intense et acérée, centrée précisément sur le passage à zéro.

Il nécéssite peu de composants, s'auto-alimente directement à partir du signal à analyser, s'adapte automatiquement à la tension et aux caractéristiques des composants utilisés, et compense leur dérive dans une large gamme. De plus il est simple, et n'emploie qu'une pincée de composants bon marché.

Bref un circuit comme on les aime, robuste, performant, économique et tolérant, et ayant une polarité de sortie inhabituelle, souvent mieux adaptée aux applications de ce type de circuit.

[gcortex]

• Ce générateur PWM n'utilise qu'un seul comparateur.

Il s'agit de comparer la valeur moyenne d'un signal à une consigne, comme un convertisseur delta-sigma.
Les deux cellules RC fonctionnent comme une ligne à retard. Le premier condensateur a une tension Uc1.
Au moment où le comparateur bascule, la pente de Uc1 change de signe, mais la valeur Uc1 ne change pas.
Donc la pente de Uc2 ne change pas non plus. Elle changera en temps voulu, ce qui permet le montage d'osciller.

Pièce jointe 396106

D = 1N4148.