Zen-it !!!

[Tropique]

Bonjour à tous,

• Je vais vous proposer un mini-projet de saison, léger, rapide et frais comme le printemps qu'il annonce.

Zen-it !!! est son nom, c'est un testeur automatique de diodes zener.


Il comporte dans sa version maximale deux circuits intégrés basiques, un DPM 200mV bon marché, et un régulateur, de préférence LDO.

Autant dire que cela ne va pas vous ruiner, ni monopoliser votre temps au dela d'une après-midi.....

Pourtant, cet humble accessoire pourra vous rendre bien des services: mesurer des zeners, stabistors ou avalanches entre 0 et 200V, mais pas seulement: il pourra également vérifier diacs, éclateurs à gaz, ampoules néon, varistances, transils, de même que les tensions de claquage de diodes, transistors, et autres semiconducteurs. Tout cela de manière automatique, sécurisée et rapide.


Quel est son principe?
C'est essentiellement une source de courant constant de 1mA, capable de travailler entre 0 et 200V.
La tension de sortie est créée par un régulateur flyback, asservi au courant, et également à la tension lorsqu'elle dépasse une certaine valeur.
Il y a deux valeurs de tension maximale possible: ~20V et ~200V. Il s'agit d'une petite entorse à l'automatisation totale, mais rien n'empêche de rester en permanence en 200V.
La raison de ce choix est d'éviter de présenter systématiquement une tension de 200V sur les terminaux pour tout composant testé: dans 90% des cas 20V suffisent, et certains rares composants pourraient ne pas apprécier une telle tension.
A part ces quelques rares exceptions (tension de gate des MOS ou tension inverse de LEDs bleues ou blanches par exemple), ce testeur est d'une grande sûreté, que ce soit pour les composants testés ou l'opérateur:

Sous 200V, 1mA représente une puissance de 200mW, ce qui est plus bas que les plus petites zeners courantes (250mW).
D'autre part, et c'est sans doute plus important, le courant dynamique pouvant être délivré est également très limité.
On pourrait envisager d'employer une alim de labo en mode courant pour faire le test, mais si vous réglez la dite alim sur 30V/1mA et que vous y branchez une zener de 12V, elle va claquer: toute alim a un condensateur de découplage de sortie, qui va se décharger dans la zener et la détruire.
Ce condensateur fait souvent plusieurs centaines de µF, mais même pour les meilleures se contentant de 1µF, ce sera encore trop, et la destruction sera au rendez-vous.

Zen-it!! emploie non seulement un régulateur de courant spécifique, un condensateur de très faible valeur (100nF), mais en plus isole ce condensateur par une résistance "physique" qui limite la valeur du courant, même en cas de court-circuit franc et instantané de la sortie.
Cela le rend sûr, même avec des composants délicats (il y a quelques exceptions, dont certaines ont déjà été citées).
Au niveau "personnel" également, la sûreté est très grande: 1mA ne constitue pas un danger, et est même sous le seuil de sensibilité pour la majorité des individus de sexe masculin pour du DC comme ici.
Cela ne signifie pas nécessairement que l'on ne sent rien en touchant les fils de sortie: il y a quand même un condensateur de 100nF, et si l'on heurte les contacts, comme c'est souvent le cas lors d'un contact accidentel et involontaire, le circuit s'établit très vite, et il faut que le condensateur se décharge avant que le régulateur de 1mA n'entre en action: on peut sentir une légère secousse, mais cela reste très anodin, d'autant plus que que le condensateur est limité par une résistance de 4K7.
Même dans le cas ou toutes les régulations flancheraient, la structure même du convertisseur (en direct) et son alimentation sur piles ne lui permettent pas de délivrer une puissance dangereuse. C'est donc un appareil très sur, à tous points de vue. De plus, il pourra rester 90% du temps en position 20V, avec l'avantage supplémentaire d'une meilleure résolution en tension, puisque les deux sont couplés.
Pour les 9.5% restants, on pourra commuter en 200V. Il restera encore 0.5% des composants supérieurs à 200V que l'on ne pourra pas tester, mais cela ne représente vraiment qu'une toute petite minorité, qui ne justifie pas la présence d'une gamme supplémentaire.

Voici déjà le schéma, il sera décrit au prochain épisode:



A suivre.....
-----

[Tropique]

.

Un petit interlude illustré, pour patienter jusqu'au prochain épisode: voici à quoi peut ressembler l'appareil fini, montré ici en pleine action:




On peut également s'interroger sur la valeur du courant d'essai, de 1mA.

A part le fait que c'est un joli chiffre rond, que ça ne ruine pas les piles, et que ça n'a pas d'effet physiologique notable, il y a des raisons (relativement) plus sérieuses pour ce choix: il faut une valeur suffisante pour tester les jonctions en direct, LEDs, stabistors et autres, de même que les zeners basse tension qui ont la consistance du nougat, sans toutefois mettre en danger des jonctions délicates claquant à plus haute tension.
1mA est en quelque sorte le plus petit dénominateur commun, cela permet de tester dans des conditions à moité réalistes l'immense majorité des composants de ce type sans poser de soucis de compatibilité: on peut en principe le brancher sur n'importe quel composant courant, sans avoir à se poser trop de questions existentielles, et malgré tout récolter des infos valables sur la valeur et la condition du composant en question, ce qui est le but:
Simplicité et facilité sont les maitres-mots de ce projet.

[Tropique]

.
Fonctionnement:

• Il est simple, aussi simple que le circuit lui-même: pour une fois, il n'y a pas d'astuce cachée.

La base du circuit est un oscillateur type "générateur de fonction", construit avec trois portes du CD4069; la troisième est quadruplée pour avoir plus de sortance, mais cela ne change rien au principe: un intégrateur suivi d'un trigger de Schmitt, rien que du classique.

La fréquence d'oscillation est un peu supérieure à 40KHz.

La résistance R4 décale le point de fonctionnement "neutre" de manière à avoir un rapport cyclique quelque peu supérieur à 50% en l'absence de stimulus externe.
La sortie de cet oscillateur attaque un étage flyback à MOS, via un translateur de tension pour une atteindre une tension de gate suffisante. La self L1 stocke de l'énergie pendant la période de conduction, et la libère au blocage.
Il s'agit d'un "très mauvais" flyback, fonctionnant de manière fortement discontinue, en raison du rapport de multiplication très élevé, qui peut dépasser 50.
Cette façon de faire est très exigeante pour le MOS et la self, et est particulièrement défavorable point de vue rendement: normalement, il ne faudrait pas dépasser des rapports de ~10.

Ici, cette technique a été retenue en raison de sa simplicité, elle ne nécessite qu'une self standard, alors qu'il faudrait un transfo sur mesure pour obtenir un circuit "state-of-the-art".
L'efficacité n'est pas la première priorité, les puissances en jeu restant faibles, et de tels raccourcis sont acceptables, d'autant plus qu'il rendent le circuit plus sur en cas de défaillance de la régulation: si on essaye de débiter, on va simplement mettre le convertisseur à genoux, et si la tension passe au-dessus de 250V, le MOS va entrer en avalanche et écrêter la tension.

La simu suivante illustre le fonctionnement de la régulation, ici avec une zener de 68V:

ZenTest.jpg

Lorsque la tension est suffisante pour faire conduire la zener, un courant passe dans R4, et quand il atteint ~1mA, la LED de l'optocoupleur conduit.
Le courant de sortie du phototransistor décale le seuil de l'oscillateur dans le sens d'un plus faible rapport cyclique, et après une brève période transitoire les choses se stabilisent.

On remarque d'autre part que la base de l'optotransistor est connectée à un diviseur de tension via une diode d'isolation.
Cette partie permet d'assurer la limitation de tension: quand la tension sur le diviseur atteint Vdd/2 + 1V (somme des seuils de la diode et du transistor), le transistor fonctionne comme un transistor normal, en suiveur de courant et vient également réduire le rapport cyclique de l'oscillateur, limitant la tension à environ 230V pour la gamme "haute", et 25V pour la basse.
Le même diviseur a un autre point raccordé au voltmètre, ce qui permet de faire simultanément la commutation de gamme.

Les régulations sont assez "molles": le courant pour des tensions proches de 0 est de ~20% plus haut que sa valeur nominale, et à 200V de 20% plus bas.
C'est délibéré: pour cette fonction, il n'est pas nécessaire d'avoir une régulation "serrée", au contraire, un petit supplément à basse tension est mieux adapté aux diodes basse tension, et le faible gain de boucle élimine tout souci de stabilité.

L'indication quant à elle est assurée par un classique module millivoltmètre bon marché, alimenté en flottant par un oscillateur auxiliaire.
Si on le souhaite, on peut se passer de cette section, et utiliser le montage comme auxiliaire de multimètre. Mais avoir un appareil dédié est quand même plus facile.
La calibration se fait au moyen de l'ajustable du module.

Voilà, c'est à peu près tout ce qu'il y a à en dire, l'épisode suivant traitera des aspects pratiques et de l'utilisation, ainsi que des "annexes" ne figurant pas sur le schéma.
Voici une vue des entrailles de l'engin: on voit que c'est aussi simple que le schéma

100_5200.JPG

100_5202.JPG

ZenTest.asc.txt

A suivre.....

[Tropique]

.
Construction, composants:

Ce chapitre appelle relativement peu de commentaires.
Il faut soigner les découplages, vu les courants impulsionnels non négligeables qui sont générés, et l'emploi d'un régulateur LDO.
Masse et alim doivent être routés avec bon sens, surtout pas de "daisy-chaining".
Parmi les composants un peu critiques, il y a la self. Elle fait 180µH, parce que c'est ce qu'il y avait dans mon stock dans le bon format.
Cela aurait pu être 150µH ou 220µH, le circuit a des marges assez confortables, et l'asservissement gomme les différences, mais il faut qu'elle soit de qualité suffisante.
Ici c'est un type "drum" (tambour) qui a été retenu, c'est le niveau de qualité qui convient. Dans la hiérarchie des selfs, on trouve d'abord les modèles axiaux, micro-chokes ou autres, dont les pertes sont trop fortes pour cette application. Ensuite viennent les drums comme celle-ci, qui conviennent si leur résistance est <0.5 ohm. Après, on trouve des constructions plus "luxueuses", sur tore de poudre métallique ou assemblage de noyau ferrite avec entrefer, qui peuvent également convenir mais ne sont pas requises.

Si on choisit une self de meilleure qualité, on bénéficiera cependant d'une consommation plus réduite.
Sur mon prototype, en gamme 200V la consommation au repos (à vide) est de plus de 30mA, rien que pour vaincre les pertes de la self et amener la tension à 230V. Elle monte à près de 90mA lorsqu'une zener proche du maximum (180V p.ex.) est connectée.
En basse tension, cette consommation tombe à moins de 6mA.
Au vu de ces chiffres, on comprend que l'utilisation d'une pile de 9V, bien que limite possible, soit déraisonnable. Il vaut mieux opter soit pour 6 éléments AA alcalines ou NiCd (ou NiMh), comme je l'ai fait. C'est nettement plus confortable.
Grâce au LDO, ces éléments seront bien exploités, jusqu'à moins de 0.9V par élément.
J'ai pour ma part ajouté un témoin de "batttery low", qui indique quand le régulateur est sur le point de perdre la régulation, de même qu'un circuit rudimentaire d'indication de charge.
Voir ci-dessous:

Le MOS doit tenir 250V, et avoir une Rdson de <0.5 ohm à une tension de gate de 7V. J'ai utilisé un IRF730, de nombreux autres types sont possibles.

La diode de redressement doit être rapide et tenir au moins 300V. Là également, de nombreux types conviennent, j'ai utilisé une 1N4936.

Dans le diviseur, il y a des valeurs "farfelues", non normalisées qui doivent être crées par association série ou parallèle.
De la précision de la valeur dépendra le bon "raccord" des gammes.

Pour garantir la sécurité des composants testés, il est important d'utiliser des cordons de mesure à faible capacité, forte impédance caractéristique. C'est à dire en pratique, exprimé plus "bêtement", des câbles séparés: il ne faut pas que la moindre capacité parasite chargée à haute tension vienne se décharger dans le composant testé.
C'est à cette condition que l'on peut raccorder sous tension un composant, sans précautions particulières.
Pour être plus spécifique, cela exclut donc les câbles blindés ou coaxiaux, et même les câbles symétriques, style scindex ou similaire.

Utilisation:

Cet appareil peut évidemment servir à tester les zeners, puisque c'est son "fond de commerce". Mais son utilisation est bien plus large: tout ce qui présente un coude de tension peut être testé: stabistors (empilement de jonctions en direct), varistances, transils, éclateurs à gaz, TVS (transient voltage suppressors), ampoules néons, starters de tubes fluo, nixies, panaplex (voir illustration du #2), etc.
Il peut également tester des LEDs en direct, le courant de 1mA donne un allumage suffisant. Attention cependant à ne pas se tromper, du moins avec les LEDs "modernes": les LEDs blanches ou bleues n'apprécient pas le moindre claquage inverse quelque soit le courant, donc prudence.
Les "vieilles" LEDs rouges, vertes ou jaunes conventionnelles sont en général bien plus tolérantes, et ont une tension d'avalanche définie.

On peut également tester les tensions de claquage de divers semiconducteurs: Vce et Vcb de transistors ou Vds de MOS, tension des diodes, etc.
Il n'y a normalement pas de risque pour le composant, mais il faut rester raisonnable: les composants délicats et "pointus" risquent parfois d'être dégradés par le claquage inverse: éviter de tester des transistors SHF, ou la jonction de gate d'un jFET par exemple.
De même, les transistors à faible bruit peuvent avoir leurs caractéristiques dégradées par un claquage. Ne jamais tester le gate d'un MOS, c'est la destruction garantie.
Mais pour tout ce qui est transistors ordinaires, BCxxx ou 2Nxxyz, il n'y a pas de souci.
Il ne faut pas appliquer ce testeur à des condensateurs, sauf si l'on est réellement décidé à faire un test destructif. Il est également très fortement déconseillé d'essayer de faire des tests en circuit, cela pourrait avoir des conséquences imprévisibles (et funestes)
.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Bonjour,
Concernant la partie alimentation 20/200V : Avec ton système de régulation, la fréquence de découpage varie en fonction de la tension/courant de sortie. C'est pas gênant ?
J'ai dessiné un montage du même style, mais sommant le triangle avec un morceau de la tension de sortie, somme qui était ensuite comparée à Vcc/2 avec un autre 4069. Avec ça, la fréquence de découpage est constante et connue, et il n'y a pas de problème de verrouillage du MOS restant conducteur possible. Est-il utile de s’embêter ainsi ?
Comment est dimensionné R10/C2 ?
Merci d'avance.

[Tropique]

Bonjour,
Concernant la partie alimentation 20/200V : Avec ton système de régulation, la fréquence de découpage varie en fonction de la tension/courant de sortie. C'est pas gênant ?

Elle varie, ce n'est pas gênant, et en plus cela reste assez limité. La fréquence est maximale au centre de la gamme controlée, et diminue lorsqu'on s'en écarte, vers le haut ou vers le bas

J'ai dessiné un montage du même style, mais sommant le triangle avec un morceau de la tension de sortie, somme qui était ensuite comparée à Vcc/2 avec un autre 4069. Avec ça, la fréquence de découpage est constante et connue, et il n'y a pas de problème de verrouillage du MOS restant conducteur possible. Est-il utile de s’embêter ainsi ?

Pt'êt ben que oui pt êt ben que non. Ici, c'est traité autrement, le maximum du rapport cyclique est imposé par l'oscillateur et R4, et le Ton maximal n'autorise pas de courant excessif dans la self. Comme le fonctionnement est toujours fortement discontinu, c'est suffisant pour que le courant dans la self reste raisonnable.
D'autre part, ce rapport cyclique est bien une borne infranchissable, l'optocoupleur ne pouvant pas conduire moins que pas du tout.

Comment est dimensionné R10/C2 ?

R10 doit faire passer un courant moyen suffisant dans la LED pour avoir une tension Vf adéquate, 1.5 à 2V environ, et la constante de temps C2*R10 doit être nettement plus grande que la période la plus grande possible