Générateur de courant 1 µA à 20mA

1   Quelques considérations
                  tension/courant

2    Les orientations de départ
3    Le schéma de genecou0principe
4    Le schéma réel
5    Les commutations
6    Les particularités
7    En conclusions

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Avant propos



Faire un générateur de courant simple, sans micro contrôleur PIC, et en seulement 2 calibres de courant permettant de mesurer les tensions des diodes zener, les tensions directes des LED et d'apprécier le niveau d'éclairement à différents courants, de voir aussi leur couleur, les tensions directes des diodes ou transistors pour des courant directs… C'est l'objectif !

Le but de cet appareil est de trier ou rechercher facilement les composants sans une précision de laboratoire. C'est un appareil pratique, simple et sans prétentions, pour les passionnés d'électronique.

Aussi pour une fois, pas de micro contrôleur !

A l'origine j'avais pensé à un grand cadran gradué pour positionner la consigne de courant mais je me suis ravisé sur la difficulté pratique de réalisation, ayant encore des petits voltmètres à affichage LCD type PMLCDL (Mais cela resterait possible). Le courant sera donc définit par un simple potentiomètre sans cadran et la valeur sera lue directement sur un afficheur.

La tension aux bornes d'une charge sera indiquée aussi par un voltmètre intégré et une limitation de tension est également implémentée.

NOTA :
Le courant étant mesuré par la tension développée aux bornes d'une résistance
, il m'arrive de parler de "la tension du courant"...
Pour le profane, c'est assez indigeste, et il faut comprendre toute la phrase ainsi : La tension produite par le passage du courant dans la résistance de mesure... du courant !

1    Quelques considérations tension/courant

Un générateur de courant fournit comme son nom l'indique un COURANT réglable et stable. Bien entendu il n'y a pas de courant sans tension…
Aussi, le générateur adapte sa tension pour que le courant atteigne la valeur prévue par le potentiomètre de consigne de courant.

En fonction de l'élément connecté au générateur, la tension sera plus ou moins élevée pour permettre le passage du courant ainsi prévu.


Quelque soit la résistance de charge le courant restera constant (Dans une certaine plage), cela signifie que la charge peut très bien être un véritable court-circuit qui n'aura alors aucune conséquence directe, hormis le fait de dissiper toute la puissance du générateur dans le transistor ballast.

C'est la seule loi d'ohm qui s'applique U=RI, et pour imager le sujet, si je voulais faire passer 10 mA dans une résistance de 1 Mohm, il me faudrait un tension de 10 000 Volts!!!

Il est évident que le sujet doit être encadré pour ne pas tomber dans de tels travers délirants. (Le travers équivalent d'une alimentation en tension serait de dire alimentation de 0 à 20 Volts…5000 ampères !)

Dans l'exemple qui nous intéresse, il faut donc à un moment donné déclarer officiellement que l'on se limitera à une tension donnée.
Ce sera une limite vers 28 Volts pour pouvoir tester jusqu'à 24 Volts.

Cette limite parait désuète surtout avec seulement 20 mA, mais le principe est très différent d'un générateur continu traditionnel et ces performances si elles sont modestes n'en sont pas moins intéressantes et surtout pratiques


Dans une alimentation en TENSION, on dispose parfois d'une limite de courant réglable pour éviter une catastrophe ou ne pas fondre un court-circuit imprévu. (Dans le vécu, on peut citer un régulateur de tension à l'envers par exemple !)
Parallèlement, dans ce générateur de courant, ce sera la tension qui sera limitée aux bornes de la charge, par un réglage en face avant, si on le désire.

C'est en quelque sorte le monde à l'envers. Cette limitation de tension permettra d'éviter par exemple une tension d'avalanche ou une tension inverse trop élevée sur une diode en essais.

2    Les orientations de départ

J'ai donc choisi de monter en tension jusqu'à 28 V au minimum pour permettre le test des zeners jusqu'à 24 V. Au-delà de cette valeur, on se trouve confronté à des choix délicats de tension maxi et à des critères de puissance dissipée, ce qui complique sérieusement le sujet.

J'aurais en effet préféré atteindre 100 mA, mais la puissance PEUT devenir importante (Lors d'un court-circuit parfaitement normal) et il faut passer à des transistors de puissance, avec les pertes complémentaires associées et un prix de revient qui s'envole. (De plus 100mA est également mal adapté aux afficheurs 2000 points, et 200 mA seraient mieux adaptés... Encore plus de puissance !).

Dans un générateur de courant, il faut pouvoir mettre une charge zéro ohms, et dans ce cas, c'est le ballast qui absorbe toute l'énergie.
Faudrait-il prévoir un générateur de courant à découpage ? Non merci, trop compliqué pour si peu d'utilité à mon niveau.


J'ai donc dû renoncer à 100mA pour me contenter de 20mA. (Environ 0.5 W de puissance). 20mA a été choisi aussi en fonction des afficheurs 2000 points, ce qui autorise une lecture directe.

J'ai essayé de rester avec des composants traditionnels et bons marché, mais je n'ai pas pu renoncer à deux AOP (LT1490) assez particuliers qui peuvent supporter une tension élevée de fonctionnement et sont rail to rail pour éviter une tension négative et encore une tension positive de plus. Ils ont de plus une tension de décalage très faible.

Cependant j'avais prévu la mise au point de départ (Déverminage) avec des LM358 bon marché. Ceci explique aussi partiellement la panoplie de tensions que l'on peut constater sur le schéma.
Il n'est guère possible de se passer de ces circuits LT1490 et le mieux est d'en utiliser 3 et de supprimer la tension de 28V puisqu'ils sont rail to rail.
Ces circuits ont aussi l'important avantage d'avoir une tension d'offset très faible qui ne perturbe pas les mesures.

Le reste des composants est tout à fait classique.

Je me suis inspiré d'un montage et des composants utilisés par mon copain "Riri", ainsi que de mon générateur de courant du chargeur d'accus NiMH (déjà décrit).

Le générateur conçu par le copain "Riri" est un générateur professionnel dont le dernier calibre est 10 nA !

Je ne joue pas dans cette classe d'appareils, car mon montage est fait pour mes seuls besoins et pour trier un peu, tout ce dont je dispose de composants récupérés.

Le copain "Riri" a cependant choisi une solution opposée en déviant une partie du courant par un deuxième transistor ballast pour limiter la tension aux bornes de la charge. (Régulation //)
Dans cette vision, le courant global (total) reste constant, mais le courant dans la charge est réduit et donc la tension aussi.
Dans mon cas de régulation j'afficherais alors toujours 20 mA, mais pas uniquement dans la charge. J'ai donc abandonné cette solution à cause de l'affichage qui serait trompeur.

Je vais donc agir sur le courant lui-même en le réduisant jusqu'à ce que la tension ne soit plus dépassée.
L'afficheur indiquera alors un courant plus faible que la consigne initiale et la LED LIMIT sera allumée.

Vu les tensions et courants un peu élevés, et cet appareil raccordé au secteur, un convertisseur Boost m'a paru un peu inopportun et je me suis rabattu sur un bon vieux transfo 2x20V, que j'avais, mais un 2x15V (Voire 2x12V si il est bien dimensionné).
En réalité j'ai trouvé un transfo donnant du 30V qui est mieux adapté (Démontage d'afficheurs Newport)


Cet enroulement 30 V est un peu "faible" en courant, aussi les LED, grosses consommatrices sont sur un enroulement auxiliaire disponible en faible tension, et prévu pour fournir un courant plus important.
(A chacun de faire en fonction des matériels dont il dispose !)

La consigne de courant sera variable en continu et commandée par un potentiomètre standard mais de bonne qualité.
Les calibres de courant sont donc seulement au nombre de 2.
Un réglage fin parallèle (1 Mohms et pot de 220K) a été ajouté (Il ne figure pas sur le schéma) pour avoir une meilleure précision. (Voir l'article)


Pour ce faire, des tensions élevées sont nécessaires pour ne pas "taper" dans les valeurs de tension de décalage des AOP, et garder ainsi une bonne précision.

La mesure de la tension aux bornes sera assurée par un petit voltmètre PMLCDL comme indiqué dans l'article et alimenté en 12V.
Pour une lecture de précision, il sera nécessaire de commuter manuellement les calibres du voltmètre, et le plus petit calibre sera de 200mV avec une résolution de 100µV au maximum. (Ces petits voltmètres seront les seules concessions au numérique).


Initialement j'avais prévu 2 gammes de courant de 20 mA à 100 µA et 100 µA à 0.5 µA, mais ce choix s'est révélé un peu mal adapté, car c'était se priver dans la deuxième gamme d'un recouvrement pour une mesure plus précise du courant.
La deuxième gamme ira donc désormais de 200 µA à 0.5 µA (Disons 1µA par modestie) et recouvrira donc la première gamme en profitant d'une meilleure précision de l'affichage de 2000 pts.

(Sur le principe rien n'empêche ceux qui le désirent de mettre plus de gammes si ils le désirent, ce qui augmentera la précision. Ainsi il pourrait y avoir, 20 mA-2mA, 2mA-200µA, 200µA-20µA, 20µA-0.5µA, soit 4 gammes au lieu de 2)

Tous ces éléments se réalisent avec des tensions assez élevées de façon à s'affranchir des différentes imperfections des amplis OP.
J'ai réalisé les premiers essais avec des LM358 bon marché et le résultat est identique pour la majorité de l'échelle. Seuls les extrêmes sont affectés par l'absence de Rail to Rail.

Cela permet une mise au point économique en cas "d'accident" lors des essais et mesures.

Le fait d'avoir des gammes sur la base d'affichage de 2000 Pt permet avec la tension prélevée sur la résistance de mesure du courant, une tension maxi de 4V pour la valeur 2000 points. Le rapport d'échelle est donc de 100 exactement (2000pt / 20mA).

Autre avantage, il n'y a plus besoin de commuter le pont diviseur de mesure de la tension aux bornes de la résistance de mesure du courant (Pont diviseur en sortie d'amplification unitaire).
Ce pont est maintenant de 836K/44K soit 2x22K pour cette dernière (Et la 836K sera seule ajustée pour la bonne valeur de courant affichée)

3    Le schéma de principe

Un transistor ballast BC547B est commandéGENECOU_SYNOPT directement par la tension aux bornes des résistances de mesure du courant (2 gammes, 2 résistances commutées).

Cette tension est donc l'image exacte du courant.
Le courant est donc asservi à la consigne prévue par le potentiomètre P3.

Ceci est le principe même du montage.

Sur ce schéma se greffe la limitation de tension avec le potentiomètre P4. Lorsque l'on dépasse cette tension limite, on agit directement sur la consigne de courant pour limiter la tension/courant au niveau de la consigne de courant.

Enfin un dernier élément consiste à allumer une LED de limite lorsque l'on atteint cette tension et l'indiquer ainsi clairement, cette limite de tension étant maintenue tant que les conditions existent et au détriment du courant de consigne.

Le reste est de la "cuisine électronique pure", ainsi U4A et B sont uniquement utilisés pour ne pas modifier ce courant généré par la consigne. Ce sont des amplis OP haute impédance d'entrée et gain unité.
Ce principe haute impédance est important pour ne pas modifier les courants très faibles pouvant être injectés dans la ligne de courant.

La tension correspondant au courant de consigne est obtenue par la différence de tension aux bornes de sortie des ces amplis OP U4A et U4B. Cette tension est comparée à la tension définie par le potentiomètre de réglage du courant, "bouclant ainsi la boucle" !

La tension aux bornes de la charge est indiquée par la partie basse des résistances de mesure de courant et relativement à la masse.

Enfin pour atteindre la valeur du potentiomètre de consigne de courant, un amplificateur soustracteur U3B d'un gain de 7 permet d'obtenir 4Vx7=28V de la consigne. (Chance ça tombe juste !)

4    Le schéma GENECOU1réel

Rien de bien novateur, hormis que beaucoup de liaisons n'apparaissent pas car elles sont reportées par le biais des connecteurs vers les commutations ou équipements de face avant.

Report direct parfois vers des éléments du panel, ou report intermédiaire sur un petit circuit qui supportera les LED de définition des unités.

ATTENTION : Il est câblé côté soudures pour rester accessible et pouvoir ajuster mécaniquement les LED vers le centre des fenêtres.

Ces LED n'apparaissent pas sur le schéma, mais n'ont aucun lien direct avec l'électronique. Elles sont alimentées par la partie haute du transfo avec le +5V non régulé.

Les résistances des LED sont situées sur le petit CI fixé sur la face avant.

(Seule la LED "LIMIT"GENECOU3A estGENECOU2_A alimentée par l'ampli OP U5B)

Les LED vont éclairer des "fenêtres" (Voir photo ci-dessous prise depuis l'intérieur du boîtier) indiquant par transparence les unités affectées par les commutateurs.

C'est un principe un peu "vieillot" mais nécessaire pour être sûr de ce que l'on lit en termes de valeur.
Des LED de couleurs différentes renforcent ces indications.

Le schéma d'implantation du CI principal n'est pas à jour mais comme d'habitude je le donne seulement pour indication.

Au niveau mesure des valeurs (courant et tension), toutes les valeurs sont ramenées en externe au CI principal et Schéma (par ponts diviseurs câblés sur les commutateurs jusqu'aux afficheurs avec une étendue de 0 à 200mV.
(200mV étant la sensibilité maxi pour 2000 points des afficheurs)

5    Les commutations

En premier lieu voici la vue du petit CI qui genecou5sert à la fois de relais et à la fois de support aux LED et à leurs résistances. Cette vue montre bien les LED (placées côté composants) et la transparence des fenêtres avec les inscriptions d'unités.

La connectique et les résistances sont soudées côté cuivre et c'est un petit exercice de précision qui nécessite de retrousser le plastique support des pins, puis de le remettre après soudure. (Un petit oubli a nécessité un autre petit connecteur ajouté sur le tard...!

Certes le câblage pourrait être amélioré mais c'est ainsi et ce n'est pas toujours facile de concilier des objets déportés et hétéroclites.
Ce câblage un peu fouillis a cependant l'avantage de pouvoir extraire facilement le CI principal pour intervenir en maintenance ou modifier éventuellement.

Les commutations ne sont pas indiquées directement dans le schéma, (Faute de facilités), mais d'une façon générale il faut commuter les indications d'unités pour les valeurs du courant et de la tension mesurée aux bornes.
Il faut aussi commuter les voyants LED qui allument par transparence des petites fenêtres précisant les unités traitées pour les courants (mA ou µA) mais aussi les tensions (mV ou V).

Pour les unités (De tensions et courants) il est nécessaire de positionner correctement le point décimal sur les afficheurs PMLCDL.

(Pour cette commutation il faudra hélas sortir 3 à 4 fils (Un commun et 2 ou 3 fils actifs) depuis les afficheurs. Vu la place disponible il a été malheureusement nécessaire de souder directement ces 4 fils sur les afficheurs.
Cette dernière commutation est obligatoirement isolée et flottante (Des switchs sont seuls possibles).

NOTA : Cette isolation des commutations de point décimal est le fait même des afficheurs qui n'ont pas de point commun interne avec la masse générale du circuit, par le fait de leur alimentation isolée.

Ces commutations sont incontournables et sont réalisées par des commutateurs standard en face avant.

Du fait du recouvrement genecou1des 2 gammes de mesure de courant, il n'y a plus de commutation sur le pont diviseur d'affichage du courant (Il est constant pour les deux gammes).
Il subsiste bien évidemment la commutation des 2 résistances de mesure.

Il faut en réalité 3 circuits spécifiques  de commutation pour le courant.

En effet, il y a maintenant 3 positions sur le commutateur de gamme de courant, du fait que la troisième position est celle du voltmètre haute impédance. (Absence de résistance de mesure voir explications ci-après !)

Pour la tension et son affichage, il y a 4 gammes de tensions, toutes étant ramenées à la sensibilité maxi des afficheurs, soit 200mV, par un pont diviseur étagé 10M, 1M, 100K, 11.1K.
(200mV, 2V, 20V, 200V)
Là aussi le point décimal devra être traité pour éviter toute confusion de lecture.

Ces commutations sont importantes car on n'a pas à traiter des courants générés, de façon habituelle indépendamment de la tension, et on perd assez facilement ses repères traditionnels d'alimentation en tension.

6    Les particularités

Le fait de n'avoir pas utilisé 3xLT1490 (Je n'en avais que 2 exemplaires au début de MAP) cause quelques problèmes au niveau des tensions 31V et 28V. Je me suis finalement résolu au 3ème LT1490 mais cela n'apporte que peu, au niveau du contrôle de tension et de l'allumage du voyant de seuil de tension.

Je rappelle les principales tensions maxi des composants :
78L12         35V
LM317T        40V
LM358    32V (D'où le 31V)
LT1490        44V
BC547B    50V 0.5W

Il me semble préférable de fixer toutes les tensions d'alimentation des amplis OP à 31V et d'utiliser 3xLT1490, Amplis OP Rail to Rail, ainsi cela sera beaucoup plus simple. Le 31V était prévu pour éviter la saturation haute sur les LM358 et ne pas dépasser 32 V.

Le 78L12 permet d'alimenter les 2 afficheurs PMLCDL en alimentation non isolée. L'isolation est pourtant réalisée (Individuellement) par le petit CI enfiché sur chaque afficheur. (Voir l'article sur ces alimentations isolées)

Les quelques condensateurs 0.1µF ou 10nF sont nécessaires pour éviter les oscillations qui ne manqueront pas de se produire, et qui auraient pour conséquence de donner des résultats totalement farfelus, et de fournir un courant continu médiocre !
Ce problème des oscillations est toujours très difficile à éliminer, car c'est le principe même de l'asservissement qui est en question.

J'ai souvent pris l'habitude de mettre un petit bulbe néon en // sur l'interrupteur 230V ~ marche arrêt (U # 77V). C'est très pratique pour savoir si un appareil est branché ou si le câble secteur est défectueux.

Voici une anecdote : interrupteur sur OFF, j'ai été très surpris de voir les afficheurs s'allumer ("en low bat") mais tout de même avec 100K série…!
Il reste cependant assez d'énergie pour transformer, redresser un peu, et les 1.3mA en 230 V liés à la 100K suffisent à cela,  en sous-alimentant le transformateur !

Il faut dire que ces petits afficheurs consomment réellement très très peu (1 mA). Aussi j'ai remplacé la 100K série par une 470K et cette fois, les afficheurs sont effectivement éteints, mais le 230V est latent et je crois que le mieux est de placer ce bulbe avec sa résistance entre phase et neutre, voire même entre phase et terre, cela indiquerait ainsi si l'appareil est bien raccordé à la terre, mais c'est un fil véhiculant le secteur en plus ! (A voir la législation qui pourrait s'imposer)
La législation est une chose, mais vu le plus grand éclectisme qui règne sur la position de neutre et phase dans une prise 230 Volts, je ne me sens pas trop décalé par ma solution.
A vous de voir en connaissance de cause ce problème de sécurité, et de doubler en série par sécurité cette résistance.


Le transformateur :
Bien entendu vous pouvez utiliser un transformateur de 2x12V ou 2x15V enroulements en série. Hormis les 20 mA maxi de l'alimentation, il faut aussi alimenter en permanence 3 LED (Non représentées sur le schéma)
-    Voyant Présence tension (Non représenté)
-    Voyant unité pour la fenêtre des tensions
-    Voyant unité pour la fenêtre des courants

Pour ne pas dépasser la puissance sur le transistor ballast, une résistance de 100 ohms a été ajoutée, son action est bien entendu uniquement sur la valeur la plus haute du courant soit 20mA.    

Un filtre secteur Schaffner a été mis sur la partie alimentation secteur, associé à une petite équerre en polycarbonate de protection pour éviter de "prendre des châtaignes". (Un premier filtre assez ancien a fumé et fait disjoncter et je dois signaler que les condensateurs ainsi exposés au secteur, (et même de classe ad'hoc restent fragiles et vieillissent mal...)

Ainsi que déjà évoqué, suite aux conseils avisés du copain "Riri", le commutateur de courant a été doté d'une troisième position qui coupe la ligne de courant juste après les résistances de mesure, et qui permet de garder la fonction de mesure de tension en très haute impédance.
(Les bornes de mesure sont celles de la charge !)

Ce générateur se transforme donc en un simple voltmètre haute impédance, dont le courant consommé est seulement celui de l'entrée de l'amplificateur opérationnel U4B. Ce courant moyen est de l'ordre de quelques nA ce qui permet une impédance d'au moins 100 Mohms pour les 4 gammes de tensions (200mV, 2V, 20V, 200V-mais avecgenecou6 limitation à 28V-)

Enfin un strap sur la ligne de courant avait été ajouté pour vérification avec un milli (micro) ampèremètre du courant généré.
Je l'avais prévu par manque de confiance, mais je ne l'ai pas utilisé, car cela n'a pas été nécessaire.
Il servira seulement à l'étalonnage du courant avec l'afficheur, et il est positionné en face avant. (Bornes blanches visibles sur la photo ci-contre)

Les bornes de sortie sont doublées avec 2 modèles différents.

Un petit dispositif annexe amovible a également été ajouté pour permettre des connexions rapides suivant un petit "truc" donné dans la revue  Elektor (Genre de truc simple et utile)
Photo ci-contre avec une diode en test.

7    En conclusions

Un petit montage bien pratique et sans prétentions, pour essayer toutes les zeners du tiroir, de voir l'intensité lumineuse des LED ainsi que leur couleur, puisque maintenant la tendance est aux boîtier translucides qui ne permettent plus de reconnaître la longueur d'onde de la lumière émise (Rouge, vert, blanche…etc)

Une des difficultés de ces appareils de labo est l'obligation de faire revenir en face avant, un nombre important de liaisons, ce qui fait toujours un peu fouillis entre le circuit principal et le panel.

Aussi, à ce niveau j'ai ajouté un petit CI relais qui supporte les LED de définition des unités en tension et courant, la LED "LIMIT", et qui sert aussi de point relais pour quelques signaux et permet de déconnecter le CI principal très rapidement.

Le 0.5µA est certainement un peu théorique mais l'afficheur de courant indique cependant un bon zéro pour une consigne de courant à Zéro même en gamme 100µA.

Je suspecte cependant quelques µ-fuites car le comportement du voltmètre sans charge peut être parfois assez bizarre, mais vu l'impédance très élevée, je n'en suis pas très étonné, car toute influence ou capacité parasite peut alors intervenir.

Comme je suis très peu enclin à la partie mécanique des montages, boîtiers par exemple, j'ai utilisé un de mes anciens appareils à cette fin. La moitié du travail est déjà faite !
Cela explique le volume excessif de l'appareil !

Pour ceux qui voudront changer les afficheurs PMLCDL, c'est possible bien entendu en adjoignant un micro contrôleur et un afficheur LCD de 2 lignes. Mais cela complique un peu le sujet et pose le problème de la mesure des faibles tensions (Calibre 200mV et nécessité d'amplifier)

Bref comme d'habitude cette réalisation est à décliner suivant les affinités de chacun et selon les matériels dont il dispose.

Dernière anecdote... Lors des derniers essais et après avoir ajouté un réglage fin série, je me suis fabriqué une pseudo-panne en oubliant le réglage fin qui était resté positionné à mi-course. Les résultats étaient assez délirants et j'ai tout de même mis quelques minutes avant de trouver le coupable ! C'est pourquoi dans ce contexte j'ai préféré modifier et mettre un réglage fin //.

Bon, on se retrouve en COURANT pour un petit 100 mètres…!?!

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