Alimentation à double tension

Les amplificateurs opérationnels les plus performants nécessitent souvent une alimentation divisée avec des tensions positives et négatives connectées aux rails d'alimentation de l'ampli op. Dans ce projet, nous allons construire une alimentation double rail positive/négative pour une sonde d'oscilloscope différentielle que je suis en train de concevoir. Je rends l'alimentation un projet séparé, car une alimentation double rail est assez utile à avoir, et je suis sûr que je trouverai de multiples utilisations pour elle à l'avenir.

Dans le passé, j'ai parlé sur ce blog des configurations d'alimentation double, cependant dans ce projet, nous allons mettre en œuvre ces conseils et construire un régulateur négatif.

Comme ma sonde différentielle va être connectée à une large gamme de signaux, je veux m'assurer que l'alimentation des amplis op est non seulement très stable et à faible bruit, mais aussi complètement isolée à la fois de l'oscilloscope et du dispositif sous test. Par conséquent, cette carte sera alimentée par une batterie de 9V. Les piles AA seraient pratiques, cependant, elles nécessiteraient un régulateur à découpage à la fois sur l'alimentation positive et négative, et avec juste deux piles AA, le temps de fonctionnement serait limité. Plus de deux piles AA sont trop encombrantes, et ces problèmes sont pires avec les piles AAA. 

La batterie 9V est facilement disponible dans une grande variété de magasins à faible coût, il existe des options rechargeables, et ce qui est important pour moi : il n'y a aucune restriction d'expédition sur elles. Utiliser des batteries au lithium-ion ajouterait une complexité substantielle à la conception par rapport à l'utilisation d'une batterie 9V, avec des circuits de charge et de surveillance de la batterie - de plus, il est incroyablement difficile de les faire livrer là où j'habite. Si vous souhaitez lire une analyse plus approfondie des différentes technologies de batteries et de leur relation avec les applications électroniques, jetez un œil à mon article Octopart sur le choix des batteries.

Comme pour tous mes projets, vous pouvez trouver les fichiers Altium Designer open source de ce projet sur mon GitHub, sous licence MIT permissive.

Avantages de l'utilisation d'une alimentation double

Lors de l'utilisation d'un ampli op à alimentation unique, la tension de sortie ne peut s'étendre que de près de l'entrée de tension jusqu'à près de la masse. À quel point, dépend de l'ampli op spécifique, avec des amplis rail-to-rail générant des signaux de sortie presque complètement jusqu'aux rails d'alimentation.

Si vous travaillez avec des formes d'onde qui comportent une composante négative, comme l'AC, ou si vous avez besoin que votre tension de sortie soit exactement de 0v, alors un ampli op à double alimentation vous offrira la polyvalence dont vous avez besoin. Certains des amplis op les plus performants sur le marché sont également conçus avec une exigence de tension d'alimentation double, donc si vous avez besoin de repousser les limites, une tension d'alimentation double peut être obligatoire.

Certains amplis op peuvent nécessiter que les tensions d'entrée maximales/minimales soient à plusieurs volts de la rail d'alimentation. Si vous utilisez une alimentation unique de 5 volts sur un ampli-op avec un décalage minimum de 2 volts, vous n'avez que 1 volt de plage d'entrée utilisable. Les amplificateurs rail-to-rail peuvent résoudre ce problème, tout comme une alimentation double. 

Pour ma sonde différentielle, je m'attends à observer principalement des formes d'onde AC, en utilisant des amplis op très haute performance, ce qui nécessite l'utilisation d'une alimentation divisée pour les alimenter. 

Rail Négatif

Dans un projet précédent, j'ai créé une alimentation négative pour un amplificateur opérationnel en utilisant une pompe de charge, cependant ce projet ne nécessitait qu'un courant d'alimentation minimal et une qualité de rail de tension. Je souhaiterais que cette alimentation double fournisse une alimentation de très haute qualité à 80mA ou plus. Bien que cela ne représente pas beaucoup de courant, c'est plus que ce que de nombreuses pompes de charge offrent, et j'ai besoin d'un bruit nettement inférieur.

La topologie pour le rail négatif de cette alimentation sera une alimentation à découpage pour générer une alimentation de -5,5V, qui sera nettoyée par un filtre LC alimentant un régulateur linéaire. 

Régulateur à Découpage

De nos jours, de nombreux ingénieurs considèrent les tensions négatives comme quelque chose de presque mythique puisque la plupart des appareils modernes ne nécessitent qu'une seule alimentation positive pour fonctionner. Cependant, il n'y a vraiment rien de compliqué à créer une tension négative, si vous pouvez concevoir un régulateur de tension abaisseur, vous pouvez concevoir un régulateur négatif - la théorie est exactement la même.

Pour créer l'alimentation de -5,5V, j'utilise le convertisseur DC-DC à sortie inverse, synchrone et à haute efficacité de Maxim/Analog, le MAX17578, de 4,5V à 60V, 1A. Les régulateurs à découpage ne sont pas performants sous de faibles charges, mais même avec une charge de 80mA sur ce régulateur, il devrait encore fonctionner à environ 66% d'efficacité. Cela peut ne pas sembler très efficace, cependant, c'est bien plus élevé que tout autre régulateur disponible en stock au moment de la conception.

Régulateur Linéaire

La sortie finale du rail négatif est fournie par un régulateur linéaire ultra faible bruit, l'ADP7182 d'Analog Devices. Pour éliminer le bruit de commutation du régulateur de -5,5V, j'ai ajouté un filtre LC à l'entrée. Le régulateur devrait être capable de gérer le bruit de commutation, cependant, il est toujours une bonne idée d'aider autant que possible lorsque l'on vise un faible bruit.

Le filtre LC peut être parfaitement capable de fournir une alimentation suffisamment propre pour certaines applications, permettant ainsi de retirer le régulateur linéaire coûteux, donc une résistance de 0 ohm permet de court-circuiter l'entrée et la sortie du régulateur linéaire. Une variante de conception assure que cette résistance ne se retrouvera pas dans le BOM ou les informations d'assemblage lorsqu'elle n'est pas requise.

Bien que mon utilisation initiale de ce régulateur nécessite +/-4,8V, je souhaite que cette conception soit polyvalente et applicable à d'autres utilisations. Par conséquent, j'ai ajouté un potentiomètre ajustable à la broche de réglage du régulateur, permettant d'ajuster la tension de -4,2V à -5,2V. Un potentiomètre multi-tours serait idéal ici, mais les contraintes mécaniques de la manière dont j'imagine cette carte être utilisée me limitent à un potentiomètre à un seul tour.

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Rail Positif

Le rail d'alimentation positif est beaucoup plus simple que le négatif, avec juste un régulateur linéaire connecté à la batterie. Avec une faible consommation de courant, il n'est pas nécessaire d'avoir un régulateur à découpage. Faire fonctionner le régulateur directement à partir de la batterie assure le plus faible bruit sur son entrée.

Le schéma pour le régulateur positif est très similaire à celui du régulateur négatif puisque le régulateur linéaire Analog Devices ADP7102 appartient à la même famille que le régulateur négatif. Là encore, la tension peut être ajustée de +4,2V à +5,2V en utilisant le même modèle de potentiomètre ajustable que pour le régulateur négatif.

Le régulateur positif dispose également d'un diviseur de tension pour la broche d'activation, tandis que le régulateur linéaire sur le rail négatif n'a pas besoin de cette fonctionnalité car le régulateur à découpage assure cette fonction.

Avertissement de Batterie Faible

J'aime surdimensionner les choses, donc pour ce projet, j'ai un avertissement de batterie faible excessif. Au lieu de simplement avoir une LED qui s'allume lorsque la batterie est faible, je vais plutôt avoir une LED de batterie faible clignotante.

J'utilise un ampli op (IC5) pour détecter le niveau de batterie faible, dont la sortie alimente un circuit oscillateur de relaxation utilisant un autre ampli op (IC6). Un autre nom pour un oscillateur de relaxation est un multivibrateur astable. L'oscillateur de relaxation commande un MOSFET qui fait clignoter la LED. L'ampli op de l'oscillateur a une consommation de courant suffisamment faible pour être alimenté directement par la sortie de l'amplificateur de détection de basse tension.

Un oscillateur de relaxation génère une sortie en onde carrée, celui-ci étant conçu pour une fréquence d'environ 1Hz et un cycle de travail de 50%. Un oscillateur de relaxation charge un condensateur, C21 dans ce cas, qui est connecté à l'entrée inverseuse de l'ampli op. L'entrée non-inverseuse de l'ampli op est connectée à un diviseur de tension. 

Tandis que le condensateur est déchargé, sa tension sera inférieure à celle de l'entrée non-inverseuse, permettant au condensateur de se charger à partir de la sortie de l'ampli op à travers R29. Une fois le condensateur chargé, l'entrée inverseuse aura une tension plus élevée que l'entrée non-inverseuse, et la sortie de l'ampli op bascule permettant au condensateur de commencer à se décharger.

Disposition du PCB

Le PCB pour ce projet est relativement simple, la taille de la carte est déterminée par le support de batterie, le connecteur d'alimentation et le besoin d'une position de montage pour un entretoise pour passer entre les cartes. La carte sera une carte de 1mm d'épaisseur à quatre couches. Les deux plans internes sont des masses, avec les couches externes pour le routage des signaux. Cela assure que les routes ont un excellent chemin de retour sur une couche adjacente. 

La carte a beaucoup de vias de liaison pour connecter soigneusement les réseaux de masse ensemble, visant à réduire le bruit conduit et rayonné. La disposition du régulateur à découpage est juste une disposition en mode commuté typique, avec les dispositions des régulateurs linéaires n'étant pas excessivement critiques.

J'ai essayé de garder le régulateur à découpage aussi loin du connecteur d'alimentation que cela a du sens, tout en gardant les régulateurs linéaires aussi proches de leurs broches de sortie que possible. 

Le plan de masse offre un excellent chemin thermique pour le régulateur positif qui dissipera le plus de chaleur.

J'ai placé des points de test sur la carte de manière à ce que les signaux les plus critiques (les rails de tension) puissent être sondés par un oscilloscope avec une connexion à la terre à ressort pour minimiser la longueur de la boucle de masse. Tester tout matériel contenant un composant de commutation en utilisant le fil de terre de la sonde de l'oscilloscope est un excellent moyen de capter le bruit de champ proche en plus ou au lieu du signal que vous recherchez réellement.

Test de Performance

Il n'y a aucun intérêt à construire un régulateur si vous n'allez pas l'essayer, alors lançons le régulateur sur l'alimentation de laboratoire et branchons-le à ma Charge DC pour voir comment il se comporte. Tous les tests ci-dessous ont été effectués sur l'alimentation de laboratoire, cependant, j'ai également vérifié les charges avec le régulateur fonctionnant sur une batterie, les résultats étaient indiscernables.

Alors que les tests de courant sont effectués à travers un cavalier de fil assez fin dans la carte, en vérifiant les tensions à bord avec à la fois mon multimètre de table et mon multimètre portable, les lectures sur la Charge DC sont à quelques millivolts de ce qui est sur la carte.

Rail Négatif

En commençant les tests du côté de l'alimentation négative, la tension à vide est de 4.8149V. Je pourrais probablement l'ajuster un peu mieux, mais j'étais impatient de voir comment cela se comporterait sous charge.

Ma charge DC ne supporte que les tensions positives, donc j'ai simplement utilisé le rail négatif comme référence de masse et la masse du régulateur comme entrée positive. En ce qui concerne la charge DC, il s'agit d'une tension positive.

Vous pouvez ignorer la résistance de charge dans la photo ci-dessous, c'est une fraction de seconde avant que la charge ne soit appliquée et que la Charge DC mesurait la charge au fur et à mesure qu'elle augmentait le courant.

Sous charge, nous pouvons observer une chute de 24mV en sortie. La fiche technique indique une précision sur la ligne, la charge et la température de +2% maximum / -3% minimum. Avec un écart de tension de demi pour cent, cela tombe définitivement dans cette revendication à 80mA.

Étant donné que le régulateur fonctionne bien à sa charge de conception, je voulais le pousser à 200% pour voir comment il se comporterait. Le régulateur est conçu pour une charge de -200mA, donc il devrait être absolument bien. La tension a chuté de 44,2mV sous la charge augmentée, mais cela représente encore seulement une baisse de 1%, et bien dans les limites des affirmations de la fiche technique.

En regardant le régulateur à découpage sur mon oscilloscope sans charge appliquée, les choses semblent stables et il gère très bien la faible charge. La seule charge sur ce régulateur est tout ce qui est parasitaire plus les 4mA de courant alimentant la LED. Certains régulateurs à découpage ne supportent tout simplement pas cette petite charge, donc c'est agréable de voir que tout est stable. 

En activant la charge DC, réglée pour un tirage de courant de 80mA, la sortie du régulateur à découpage ressemble beaucoup plus à ce que vous vous attendriez à voir d'un régulateur en mode commuté. En ajoutant la mesure de tension RMS à l'affichage, nous pouvons voir que tandis que le bruit de crête à crête est d'environ 26mV, le bruit RMS n'est que d'environ 2,2mV.

En examinant le signal après le filtre LC, nous pouvons voir que tout le bruit de commutation est complètement éliminé, cependant le signal est un peu désordonné. Pour ma première application de cette carte, le régulateur linéaire restera définitivement sur la carte, car le régulateur linéaire nettoie bien ce désordre.

Rail Positif

Sur le rail positif, nous pouvons effectuer les mêmes tests pour voir à quel point les régulateurs linéaires sont comparables. J'ai choisi les régulateurs pour avoir une bonne correspondance de performance, mais c'est toujours une question de savoir comment les choses se comportent dans le monde réel plutôt que sur le papier.

Avec aucune charge, j'ai réglé la tension un peu plus haute que celle du régulateur négatif, à 4.8492V.

Sous la charge conçue de 80mA, nous pouvons voir que la tension a baissé un peu moins que le régulateur négatif, avec une perte de juste 18.6mV. Cela représente un peu moins de 0.4 pour cent de la tension originale. Bien que cela soit plus précis que le régulateur négatif, cela a du sens car la fiche technique du régulateur positif revendique également une plus grande précision avec une précision sur la ligne, la charge et la température de −2%, +1%. 

En augmentant la charge à 200 %, la tension chute de 30 mV, soit 0,6 % de la tension initiale réglée. Encore une fois, cela reste mieux que le régulateur négatif, mais cela me surprend quelque peu car le régulateur positif a une capacité de courant de 300 mA, plutôt que les 200 mA du régulateur de tension négative. La chute de tension reste toutefois bien dans les spécifications de la fiche technique.

Tension Combinée

Tester chaque rail de tension est intéressant pour voir la performance de chaque régulateur, cependant cela est quelque peu dénué de sens au-delà de la vérification que les régulateurs fonctionnent comme prévu. Dans le monde réel, mes amplificateurs opérationnels seront alimentés par la tension d'alimentation double, chargeant les régulateurs de manière égale.

J'ai connecté le régulateur positif à l'entrée positive de ma charge DC, et l'alimentation négative à l'entrée de terre pour ma charge DC. Cela montre une tension de 9,6574 V à la charge DC sans aucune charge sur l'alimentation.

En ajoutant la charge de conception de 80 mA au régulateur, nous observons une chute de 22,1 mV, soit juste 0,2 % de la tension originale. Je suis très satisfait de ce résultat, sachant que mes amplificateurs opérationnels recevront une tension très stable même si leur charge peut changer pendant l'utilisation. Cela devrait garantir que j'ai des sorties très constantes.

En augmentant le courant à 200 %, nous avons maintenant une chute de tension totale de 32 mV, soit un peu plus de 3 pour cent de la tension à vide.

En utilisant mon oscilloscope pour observer la sortie de la carte régulatrice, sous charge, cela s’avère quelque peu peu instructif. Bien qu'il semble qu'il y ait beaucoup de bruit et d'activité, avec l'oscilloscope mesurant 242 microvolts de bruit RMS, ce n’est pas la carte régulatrice que nous voyons. La capture d'écran ci-dessous a 2 secondes de persistance activée, et est colorée pour montrer les signaux les plus fréquemment rencontrés.

Alors, que veux-je dire par ce n’est pas la carte régulatrice que nous voyons ? Malheureusement, le plancher de bruit de mon oscilloscope est tout simplement trop élevé. Mon oscilloscope Rigol MSO5354 mesure 450 microvolts de bruit RMS lors de la mesure d'une résistance axiale de 47 ohms à travers le trou avec la sonde (une jambe enroulée autour de la bande de terre, l'autre jambe autour de la pointe de la sonde). Il n’y a donc aucun moyen que je puisse mesurer directement les 15-18 microvolts de bruit que les fiches techniques me disent d'attendre de ces régulateurs linéaires. Bien que décevant, je trouve amusant que le bruit mesuré à partir de ma carte régulatrice soit inférieur au bruit mesuré à partir d'une résistance.

J'ai également tenté ce test avec le régulateur fonctionnant sur une batterie et chargé avec une résistance de 100 ohms pour voir si la performance du bruit était différente, éliminant ainsi mon équipement de test comme source de bruit. Mis à part la résistance qui est devenue très chaude et qui sentait assez mauvais, il n'y avait aucune différence discernable sur l'oscilloscope entre les deux méthodes de tension d'entrée/charge.

Réflexions finales

Bien que je souhaite que mon installation de test me permette d'examiner de plus près le niveau de bruit sur les sorties, je suis quand même satisfait du résultat de cette conception de régulateur. C'est toujours agréable de repousser les limites de l'équipement de test avec des projets. 

En plus des tests ci-dessus, la carte a également passé plus d'une journée à 200% de charge sans aucun signe de défaillance ou de stress. Le régulateur linéaire positif était le composant le plus chaud sur la carte, atteignant environ 65 degrés Celsius (149°F) tandis que la température de la pièce de mon laboratoire atteignait un pic estival écossais étouffant de 22,5°C (72°F).

Dans mon prochain projet, je mettrai cette carte en action pour alimenter trois amplificateurs opérationnels haute performance alors que je construis une sonde d'oscilloscope différentielle qui mettra encore plus à l'épreuve les limites de mon équipement de test.

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