Electronique Mag - Le journal de l'électronique.
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Les alimentations sont l’un des outils les plus
couramment utilisés sur les paillasses des
scientifiques, des ingénieurs et des techniciens
qui travaillent avec des composants, des
appareils et des systèmes électroniques. Il
existe une large gamme d’alimentations DC, ayant toutes
leurs propres performances. S’il est facile d’identifier
les besoins en tension, courant et puissance à partir
de la littérature existante, évaluer la manière dont l’alimentation
délivre sa puissance et la manière dont l’alimentation
répond à vos besoins nécessite une étude
plus approfondie des spécifications. Voici quelques
conseils pour vous aider à comprendre à la fois des
caractéristiques importantes et comment elles peuvent
vous aider à obtenir de bonnes mesures.
Astuce N°1 : Assurez-vous d’avoir la
précision requise - mais ne la gaspillez
pas
Toutes les alimentations spécifieront une précision de
réglage, à savoir l’écart entre le paramètre régulé, la tension
ou le courant, et la consigne en sortie programmée.
La tolérance des composants internes, comme par
exemple les erreurs de linéarité et de quantisation du
convertisseur A/D et du convertisseur D/A, détermine la
précision de sortie. La spécification de précision, généralement
définie sous la forme ± (% du réglage + offset)
est déterminée à partir d’un calcul d’erreur de l’équipe
de conception, lors du développement, qui prend en
compte la tolérance des composants, la température et
le temps. Les valeurs qui apparaissent sur la feuille de
spécification sont contrôlées par des mesures effectuées
avec un système de mesure dont la tolérance est 4 à 10
fois plus faible que la précision attendue de la sortie d’alimentation
DC sur un échantillon statistique d’ instruments.
La plage de température sur laquelle s’appliquent
les spécifications est généralement de 20° C à 30° C. Le
plus souvent, la spécification de
précision s’applique sur un intervalle
d’un an. Au bout d’un an,
l’instrument doit être vérifié pour
s’assurer qu’il fonctionne toujours
dans les limites de ses spécifications
de précision avec une procédure de vérification et,
si nécessaire, recalibré en suivant une procédure de recalibrage.
Convertissez une spécification de précision en
une valeur spécifique comme suit :
La spécification de précision en tension d’une alimentation Keithley modèle 2200-32-3 est de ± (0,03% + 3 mV). Si vous utilisez l’alimentation en 5 V, alors l’erreur potentielle à la sortie est de (0,0003x5V + 3 mV) = 4,5mV.
Vous devez avoir connaissance d’un point important : la spécification de précision de la tension de sortie de l’alimentation s’applique aux bornes de sortie ; mais le dispositif testé (device-under-test ou DUT) ou la charge ne se trouve généralement pas exactement aux bornes de sortie. L’alimentation et la charge sont séparées par les fils de connexion. Ces fils ont une résistance qui leur est associée. Par exemple, un câble de 16 gauges a une résistance de 4mΩ/pied. Si le câble mesure 3 pieds (0,9 m) de long, et la charge tire 2A, alors chaque câble conducteur provoque une chute de tension de 4mΩ/pied x 3 pieds x 2A = 24mV. Deux câbles conducteurs génèrent une chute de tension de 48mV. Si la tension d’alimentation programmée est de 5 V, alors la tension sur la charge n’est pas de 5V. Elle est de 5V moins la chute de tension dans les câbles, soit 5V - 48mV = 4,952V. Ce qui n’est pas si important que cela ; mais, si les fils doivent être longs, par exemple s’ils doivent mesurer 10 pieds (3 m), 20 pieds (6m) ou plus, quand par exemple un DUT est testé dans une chambre climatique et que l’équipement doit être en dehors de celle-ci, alors la tension sur la charge peut être aussi grande que 320mV en dessous de la tension d’alimentation. Cette erreur dépasse de loin l’erreur de sortie de 4,5mV. Si une tension spécifique est nécessaire pour permettre au DUT de fonctionner correctement, les résultats des tests risquent d’être erronés.
La solution est d’utiliser la fonctionnalité de sense sur l’alimentation. Elle renvoie la tension mesurée au niveau du DUT au circuit de régulation de l’alimentation. Le circuit de détection d’erreurs de l’alimentation détecte que la tension est inférieure à la tension programmée. Le circuit de commande régule la tension de sortie et l’augmente pour compenser les chutes de tension dans les câbles. La fonctionnalité de sense fait en sorte que la tension de programmation soit appliquée avec précision au DUT. Les câbles de sense sont connectés à un circuit de mesure à haute impédance d’entrée ; il existe donc une chute de tension négligeable dans les câbles de test, ce qui veut dire que les câbles de sense n’introduisent pas d’erreur détectable dans la boucle de renvoi. La Figure 1 montre le calcul de la tension au DUT avec et sans câbles de sense. Si le contrôle de la tension appliquée au DUT est critique pour la caractérisation et le test, assurez- vous que l’alimentation ait la précision de sortie requise. Toutefois, ne perdez pas de la précision en sélectionnant une alimentation sans fonctionnalité de sense.
Cherchez des preuves de la présence de cette fonctionnalité sur la fiche technique. Certaines fiches techniques peuvent spécifier une limitation de la chute de tension contre réaction est seulement de 10 kΩ, alors, à 5V, le courant qui passe à travers les câbles de sense est au maximum de 0,5 mA. Même les câbles de sense de 16 gauge qui mesurent 100 pieds (30m) développeront une chute de tension de moins de 1mV.
Astuce N°2 : Une bonne précision et
une bonne résolution de courant
minimiseront la complexité de votre
système de mesure
Toutes les alimentations de laboratoire disposent
d’écrans qui surveillent la sortie. La plupart permettent
de mesurer et d’afficher à la fois la tension et le courant
de sortie. Les précisions de mesure (readback) sont spécifiées
de la même manière que les précisions des réglages
en sortie, comme étant ± (% du réglage + décalage).
En plus de la spécification de précision, le réglage de la
sortie et la résolution en readback sont spécifiés. La résolution
est définie comme étant le plus petit changement
de paramètre, en tension ou en courant, qui peut être
soit effectuée dans le paramètre de sortie soit mesurée
par les circuits de readback. La résolution est une fonction
du nombre de bits disponibles dans le circuit des
convertisseurs A/D et D/A et des performances de la sortie
et du circuit de mesure. La résolution peut être exprimée
en % de la pleine échelle ; mais, plus généralement,
la résolution est définie comme une tension et un courant.
À titre d’exemple, les résolutions de réglage et de
readback sur l’alimentation Keithley modèle 2200-32-3
sont de 1mV et 0,1 mA. Voir Figure 2.
Si vous prêtez attention aux spécifications de précision en readback, vous trouverez généralement que de nombreuses alimentations ont une précision de mesure de courant qui est suffisante pour la précision dont vous avez besoin pour mesurer les courants de charge. Les alimentations peuvent avoir des précisions de mesure en courant de 0,05%, ce qui est équivalent ou mieux que beaucoup de multimètres numériques à 6½-digits. En réalité, vous avez la qualité de mesure de multimètre numérique intégrée directement dans votre alimentation. En plus, si vous développez ou testez un produit fonctionnant sur batterie, certaines alimentations vous donneront une résolution suffisante, telle que 0,1 mA, pour effectuer des mesures en mode low standbye ou en sleep mode. En utilisant une alimentation DC qui a une bonne précision et une bonne résolution à bas niveau, vous pouvez épargner le coût et la complexité d’avoir à inclure un multimètre numérique dans le circuit de charge de l’alimentation. L’ajout d’un multimètre numérique dans le circuit ajoute une résistance de sense utilisée dans le multimètre numérique pour convertir la tension en courant. Le multimètre numérique rajoute une chute de tension dans le circuit. À une tension de sortie fixe, la charge consomme moins de courant, ce qui augmente l’erreur de mesure du courant de charge réelle en raison de l’ajout du multimètre numérique dans le circuit. Une autre solution consiste à mettre une toute petite résistance de sense externe dans le circuit (par exemple 1Ω ou moins) et mesurer la tension avec plus de précision. Cependant, vous avez l’erreur due à la tolérance de la résistance de sense sans aucune compensation des effets d’échauffement. Évitez toutes ces problèmes et laissez l’alimentation effectuer vos mesures de courant de charge. La précision et la résolution dont vous avez besoin peuvent être obtenues avec des alimentations proposées à des prix extrêmement abordables.
Astuce N°3 : Assurez-vous que la sortie
maintient son niveau - faites confiance,
mais vérifiez
Les spécifications de précision d’une alimentation sont
définies dans des conditions statiques, avec une alimentation
secteur stable et une charge constante. Cependant,
la tension de la ligne électrique peut fluctuer (plus dans
certains endroits que d’autres), et les charges peuvent
changer. La manière dont l’alimentation maintient sa sortie
dans des conditions changeantes est définie par les
spécifications de régulation de charge et de ligne. Ces
caractéristiques sont définies pour la tension et pour le
courant, selon que l’appareil est à tension constante ou
à courant constant. Tout comme la précision, ces deux
spécifications de régulation sont définies sous la forme
± (% du réglage + décalage). La régulation de ligne fera
référence à la tolérance sur la variation de la sortie en
fonction de la variation de tension de ligne, généralement
de ± 10% autour de la tension secteur nominale.
Les spécifications de régulation de charge sont basées
soit sur la tension, soit sur le courant, réglés à la sortie
maximale, tandis que l’autre paramètre varie de 0% à
98% par rapport à sa plage.
La spécification de régulation de charge est la plus importante des deux spécifications. En règle générale, la variation de tension de ligne n’est pas un problème.
Vous voulez que votre sortie maintienne son niveau en cas de variation de la charge. Vous avez également besoin que l’alimentation fournisse des transitions contrôlées (reste régulée) si la charge varie. Si vous utilisez le modèle Keithley 2200-32-3 avec une régulation de charge de tension de <0,01% + 2 mV, la sortie devrait rester dans les 5,2mV pour 32V, puissance maximale lorsque la charge passe de 0A au courant de sortie maximal soit 3A. Vous pouvez également évaluer une alimentation pour vérifier qu’elle réponde à cette exigence pour votre DUT en fonction de la manière dont les changements de charge se produisent dans votre DUT. Vous ne voulez pas voir de phénomènes transitoires en tension du type dips ou spikes qui pourraient endommager votre DUT. La Figure 3 montre la réponse contrôlée du modèle Keithley 2200-32-3 à un changement de charge.
Astuce N°4 : Recherchez du bruit faible
lorsque vous testez des circuits
sensibles
Tout appareil électronique génère un certain niveau de
bruit. C’est certainement vrai des instruments d’alimentation
DC comme les alimentations de puissance. Ce
bruit est en général spécifié sur la fiche technique de l’alimentation
comme étant du ripple et du bruit sur une
gamme de fréquences, de Hz à MHz. Généralement le
ripple et le bruit sont combinés et définis en termes de
valeur RMS et de valeur crête à crête. Si vous testez un
dispositif qui fonctionne sur de faibles niveaux de tension
ou un capteur ou un dispositif qui possède un circuit
sensible pour mesurer les signaux faibles, le bruit
excessif émis par une alimentation DC peut provoquer
des problèmes de performances de votre dispositif.
Dans ce cas, utilisez une alimentation linéaire. Les alimentations
linéaires auront généralement des niveaux
de bruit inférieurs à 20mVp-p. Les alimentations à découpage
ont une plus faible consommation d’énergie et sont
beaucoup plus légères que les alimentations linéaires à
transformateur à noyau large ; mais les alimentations à
découpage génèrent 5 à 10 fois plus de bruit que les alimentations
linéaires.
Un détail qui peut ne pas être précisé est le bruit de mode commun, bruit lié au couplage du courant AC parasite sur les enroulements du transformateur d’isolation de l’alimentation. Ce courant circulant dans la charge du DUT va créer une tension de bruit qui pourrait dégrader les performances du DUT. Voir Figure 4.
Le facteur le plus important qui contribue au courant de bruit de mode commun est la qualité du blindage entre les enroulements primaires et secondaires du transformateur. L’insuffisance de blindage introduira une grande capacité de couplage et des milliampères de courant de bruit pourront circuler dans le DUT en créant des problèmes de performance et des problèmes de mesure de courant de charge pour des circuits sensibles de DUT. Si vous testez des composants sensibles, recherchez le bruit de mode commun sur la fiche technique ou renseignez- vous auprès de votre vendeur. Vous voulez que votre courant de mode commun soit au plus 10μA.
Astuce N°5 : Ne négligez pas les
fonctionnalités supplémentaires dont
vous aurez besoin
Si vous sélectionnez une alimentation pour une application
type test automatisé, vous voudrez être sûr que cette
alimentation dispose des interfaces de communication
que vous souhaitez utiliser. Quand la synchronisation de
test est critique, vous voudrez peut-être faire en sorte
que l’alimentation dispose d’un système de trigger en
interne afin qu’elle puisse réagir aux signaux de déclenchement.
Pour optimiser la vitesse de test, vous pourrez
considérer des alimentations qui puissent exécuter des
listes de niveaux de tension stockées en mémoire.
Si vous avez besoin d’une alimentation multivoie, sélectionnez une alimentation dont toutes ses sorties sont isolées de manière à bénéficier d’une flexibilité maximale pour tester les circuits isolés, pour mettre les voies de l’alimentation en parallèle et en série. Soyez également conscient que certaines alimentations à 3 voies peuvent avoir une voie de tension fixe. Assurez-vous que votre troisième voie est programmable si vous avez besoin d’une flexibilité maximale.
Si les alimentations sont simples dans leur concept, leurs spécifications et leurs caractéristiques ajoutent de la sophistication à l’étape de sélection. Efforcez-vous de comprendre ces conseils ; vous pourrez ainsi être sûr de choisir une alimentation qui répondra à vos besoins.
