sonde différentielle et impedance d'entrée

[cb28]

Je pense que le sujet ci-dessous peut faire l’objet d’une réponse dans une vidéo de question/réponse alors je le poste ici!

Salut à  tous les électro-bidouilleurs !

Je cherchais une sonde différentielle basse tension de précision depuis un bout de temps ayant la particularité d’encaisser des surtensions assez importantes (jusquâ€™à  200V).
Et la vidéo n°137 et le travail de Jacques Audet a été une aubaine pour moi !
Néanmoins, le filtrage et la multiplication de la sonde élaborée par Jacques n’étant pas adaptés aux mesures que je réalise (étude des courants vagabonds dans le domaine de la protection cathodique!)
Souhaitant réaliser une sonde à  sélection x1, x10 sans filtrage, je mets donc en oeuvre l’AOP AD8479 « dans son plus simple appareil ».

Je le teste avec un générateur de fréquence câblé directement en entrée de l’amplificateur.
Pour l’alimenter, j’utilise une double alimentation de labo mise en série -/+ 15V et je raccorde un oscilloscope deux voies.
La première sonde de l’oscilloscope est connectée directement sur mon générateur de fréquence, et la deuxième sonde est câblée en sortie de l’amplificateur.
Après avoir injecté un signal alternatif carré de 20Hz à  +/- 8V, je règle le potentiomètre (500 ohms) placé entre les broches 1 et 5 de l’amplificateur pour ajuster les deux traces de l’oscilloscope.
J’obtiens un signal parfait ! 
La trace de l’entrée recouvre parfaitement la trace de sortie, à  l’exception du petit retard de quelque µS du front montant de l’ampli, jusquâ€™à  là  tout est impeccable. ;D

Je retourne donc la sonde de sortie pour vérifier l’isolation du montage et là , j’ai un décalage d’environ 60 mV !
Quel que soit le réglage du potentiomètre dès que je retourne la sonde de sortie je me retrouve toujours avec ce décalage. :-\
Effectuant notamment des mesures de polarisation de l’acier dans le sol, j’ai besoin d’une bonne précision (+/- 5mV) et ce décalage me gène fortement!

J’ai donc 3 questions après ce petit test :

Avez-vous une explication pour expliquer ce décalage, voir une solution ?

Pouvez-vous revenir plus en détail sur la notion de CMRR et du mode commun. Comment cette isolation est-elle réalisée physiquement dans l’amplificateur! ?
Il y a-t-il un lien avec l’impédance d’entrée de l’amplificateur (dans cet exemple 2 mégohms et 500 kilo-ohms pour la partie commune) ?

Enfin, les mesures que je souhaite réaliser sont très « volatiles » (peu d’énergie mise en jeu).
Peut-on augmenter, l’impédance d’entrée du montage et si oui comment peut-on le faire correctement ?

Désolé si mes questions peuvent être maladroites mais je débute en électronique.
Je peux bien sur apporter des précisions et même au besoin, je peux réaliser une vidéo (la qualité sera surement médiocre!).

Grand merci ! ;D

[jaudet]

Bonjour, (de Jacques Audet)

La sonde que je fabrique utilise le AD8479 dans son plus simple appareil en mode X1:
Les entrées  sont branchées sur les bornes + et - de la sonde.
Avec une alimentation 9V, la sortie max. est de 8 V crête.
Si on désire augmenter la sortie max. on peut augmenter l'alimentation jusqu'à  18 V,
soit +/- 18V, le max. permis pour le AD8479.  On pourra donc mesurer des tensions de 17V crête, au maximum.
Noter que les tension max. spécifiées (avant de détruire l'ampli) sont de +/- 600 V dans ces conditions.

Noter aussi que le filtrage de la sortie est ajustable. En position OFF, le filtre RC donne une
fréquence de coupure de 800 KHz. Comme l'ampli seul coupe à  130 - 135 KHz, il
a un effet très minime sur la fréquence de coupure de l'ensemble.

Pour ce qui est de connecter un pot entre les broches 1 et 5... c'est pas une bonne idée.
Cela va diminuer le gain et ruiner la réjection du mode commun.
Et possiblement introduire un offset (décalage) à  la sortie comme tu as observé.
C'est la tension mesurée lorsque la sonde est débranchée.
On aura +/- 3 mV dans ces conditions.
Dans ma sonde j'ai utilisé ces broches pour optimiser la réjection du mode commun à  50 ou 60 Hz.
J'utilise des valeurs de résistances inférieures à  10 ohms, pour ne pas diminuer le gain en mode X1.

La tension de mode commun est la moyenne des tensions appliquées à  l'entrée de la sonde.
Par exemple si on applique 99V et 101 V à  l'entrée, alors la tension de mode commun est de 100V.
La sonde ne doit PAS voir ces tensions, mais seulement la DIFFÉRENCE, soit 2V.
La réjection du mode commun est le rapport entre la tension présente à  la sortie de la sonde et la tension
de mode commun appliquée à  l'entrée, ceci lorsqu'on applique la même tension aux deux bornes d'entrée.

La réjection du mode commun est faite en utilisant des valeurs de résistance symétriques.
Dans la configuration la plus simple les résistances aux entrées + et - sont strictement égales.
Même chose pour les résistances de feedback.
Le AD8479 a ses résistances ajustées avec un laser. On doit les ajuster à  +/- 0.001% ! ou mieux.
Les résistances d'entrée sont de 1 Mohms par rapport au commun. Ce qui donne
500 K en mode commun (résistances en parallèle) et 2 Mohms en mode différentiel (résistances en série).

On pourrait augmenter les résistances d'entrée en utilisant un étage suiveur (gain = 1.000...) sur
chaque entrée + et -.   On devrait utiliser un ampli de type FET input, pour avoir la haute impédance.

Espérant que ces explications vont éclairer ta lanterne...

Jacques Audet

[cb28]

Bonjour Jacques,

Je te remercie pour la qualité et la précision de ta réponse !!  :) :D  ;D

Je me doutais bien que d’employer ce potentiomètre 500 ohms entre la broche 1 et 5 était surement à  l’origine de mon erreur, il était évident que tu n’avais pas choisi un potentiomètre de 10ohms au hasard, mais je ne comprenais pas réellement l’interaction de celui-ci dans le montage.
Et pour t’avouer je n’ai pas dans mes tiroirs un potentiomètre de 10 ohms d’où la valeur de 500ohms :-[

Concernant l’impédance d’entrée, si je comprends bien le mode suiveur cela permet de rehausser l’intensité d’un signal très faible. J’ai donc regardé comme tu me la conseillé les amplis de type fet.
Et effectivement l’impédance d’entrée est incroyablement élevée, on peut lire dans plusieurs datasheet des valeurs égales ou supérieures au tera-ohms !

Néanmoins, après avoir réfléchi à  mon problème, le fait de placer deux étages d’ampli haute impédance avant l’amplificateur AD8479,  je perds l’intérêt premier d’un mode commun acceptant 600V. Quel est ton avis et tes recommandations ?

Au plaisir de te lire.

Damien

@ l’ectrobidouilleur en chef : Vu que cela ne fera pas l’objet d’une video, peux-tu déplacer ce post dans la bonne section du forum s’il te plait.
Je suis admiratif de la qualité des vidéos que tu réalises et de la passion que tu y mets, merci !

[jaudet]

Bonjour Damien,

Oui, le fait de placer un étage suiveur à  l'entrée va diminuer la tension en mode commum. J'aurais dû le mentionner.
Sans atténuation sur l'entrée, le signal crête max. permis sera approx. égal à  la tension d'alimentation.
On peut atténuer pour augmenter la tension en mode commun.  C'est ce qui est fait avec le ad8479.
On atténue par un facteur de 60 à  l'entrée. Ce qui permet d'avoir des tensions de 600V en mode commun.
(Ex:  si on a 10 V à  l'entrée, alors la tension permise mode commun sera de 10 x 60 = 600 V.
Il faudra ensuite amplifier par le même facteur pour ramener le gain à  1.  Mais ce n'est pas une obligation !
L'inconvénient, c'est que cet arrangement ajoute du bruit et diminue la bande passante.

Il existe des amplis à  isolation galvanique (couplés par transfo ou optiquement), ces trucs sont plus spécialisés.
Dans ce cas le mode commun pourrait être > 1000 V.

Salutations,
Jacques

[cb28]

Bonsoir Jacques,

J'ai regardé les amplificateurs isolés. Malheureusement, leurs technologies permettent de travailler que sur la première partie linéaire du signal qui est seulement de 250mV.
Autant dire que pour mon application ça ne fait pas l'affaire mais je garde ça en tête car pour une mesure de courant sur shunt c'est le top !

J'ai cherché également un concurrent au AD8479 mais il est le meilleur dans sa catégorie.

Je vais donc surement faire comme tu me le suggères, mon propre arrangement sur un ampli quadruple standard. Suis-je à  la hauteur ? Ça c'est une autre question...
Ce sera en tout cas l'occasion d’appendre et de mieux comprendre !

Encore merci.

Damien cb28

[cb28]

Bonjour à  tous, bonjour Jacques,

Finalement pour résumer, Jacques m'a fait prendre conscience que l'ampli AD8479 n'est ni plus ni moins qu'un simple ampli monté en différentiel avec des résistances de précision.
Cette ampli n'étant pas tout à  fait adapté pour mon application, j'envisage d'exploiter un autre ampli.

Voici le schéma de principe pour critique afin de réaliser une sonde x1, x10 acceptant jusquâ€™à  150V avec 100 Mégohms d'entrée, quel est votre avis ?


A bientôt

[jaudet]

Bonjour Damien,

Je remarque que la résistance d'entrée p/r à  la masse n'est pas la même pour l'entrée + (55 Mohms) et 50 Mohms pour l'entrée -
Si la résistance de la source est élevée, cela va diminuer la réjection du mode commun.
La plage d'ajustement de réjection du mode commun devrait être choisie en fonction de ta spécification. Normalement < 1%.

Faudrait savoir quels sont sont tes objectifs (spécifications):

Tension différentielle max. en mode linéaire  ?  (+/- 10V ?)
Tension différentielle max.  en saturation  ? (avant de faire sauter des composants)

Tension mode commun max. en mode linéaire  ? (150V)
Tension mode commun max.  en saturation  ?  (avant de faire sauter des composants)

Atténuation: X1 et X10
Réponse en Fréquence  F-3 dB  ?
Réjection du mode commun @ 50 Hz  ?
Réjection du mode commun @ 1/2  F-3dB  ?

Autres ?
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Pour ton information il existe des amplis d'isolation sous forme de modules qui acceptent +/- 10V (linéaire) 
Voir:  AD215, ISO120, ISO124, ISO130.
Il faut compter > $100.

Jacques

[cb28]

Bonjour Jacques,

Je vais essayer de répondre au mieux à  tes interrogations...

Impédance d'entrée minimum de la sonde en mode commun : 100 Mohms

Ce choix peut surprendre, mais je travaille sur des choses parfois très volatiles. Pour que ce soi plus concret pour toi et ceux qui veulent nous lire, je mesure des variations de polarisation ou de dépolarisation de l’acier dans le sol (ex canalisation de gaz ou pétrole), autrement dit, j’analyse les potentiels de l’acier par rapport à  une électrode de référence dont le potentiel est connu et stable (Cu/CuSO4).
Le circuit de mesure se résume ainsi, il y a une résistance intrinsèque à  l’électrode de mesure d’environ 7 kohms (Re), j’ai une résistance de contact électrode/sol (Res) qui est d’environ 1 kohm et une résistance de contact canalisation/sol (Rcs) qui est d’environ 400 ohms.
Donc le circuit de mesure n’a pas une grande résistance en soit (Re+Res+Rcs) 7+1+0.4 =8.4 kohms.
Le fond du problème réside plus dans la disponibilité des électrons à  la couche double de l’acier. En gros on veut mesurer un potentiel mais qui n’est pas infini et le fait de détourner un tout petit courant de cette polarisation tronque rapidement sa valeur. Et malheureusement c’est justement « l’entièreté » de cette valeur que l’on cherche à  mesurer ! Un peu comme si l’on devait mesurer une pile de 1.5V qui  pourrait seulement fournir 1µAh, rien que le fait de l’avoir mesuré on l’aura un peu déchargé...

Tension différentielle linéaire max : +/- 120V, (à  l’entrée du montage avant les résistances)

En général, les potentiels que je mesure excèdent rarement les +/- 70V (ex : potentiel d’un rail avec un train en activité), donc 120V cela me laisse pas mal de marge en mode x10.
Je mesure aussi le niveau de saturation électrique de témoin métallique et la on mesure souvent quelques volts  (ex -2 ou -3V) en mode x1 cette fois.

De plus, je pense alimenter mon circuit avec deux piles de 12V (A23), donc rail to rail sans mauvais jeux de mots... ;)

Tension différentielle de saturation max : +/- 200V

J’ai parfois des pics de potentiel pouvant tendre vers cette valeur.

Tension de mode commun max : +/-200V

Je mesure également la différence directe de tension entre deux grands ouvrages métalliques touchant le sol pour réaliser des graphiques XY (ex : conduite de gaz et un rail de train). Dans ce cas l’isolation de la sonde sera mise à  rude épreuve car là , il ne s’agît pas que de polarisation mais plus d’une conduction directe.  Il s’agit entre autre d’un transite des courants vagabonds, donc très énergétiques. A titre d’exemple une conduite de gaz qui échange indirectement à  travers le sol avec rail de chemin de fer peut faire transiter plusieurs dizaines d’ampère sous plusieurs dizaines de volt !

Tension de mode commun de saturation : ?

Il me semble que c’est la même chose la tension de mode commun max, non ?

Réjection du mode commun : ? , je ne sais pas comment la calculer,  je dois encore me documenter. Les dB, il faut un peu de temps pour s’y habituer comme toutes les autres unités de mesure! ;)

Néanmoins, il est possible que je branche mon oscilloscope sur la voie 1 dont la masse serait connectée à  une conduite de gaz par exemple et la voie 2 dont la masse serait connectée à  un rail de chemin fer. Sans séparation par la sonde, je ne donne pas cher de mon oscilloscope !
Quand bien même j’arrive à  réaliser un montage électronique correct, on parle alors de précision de mesure ou d’interaction entre les voies de mon oscilloscope. C’est la que entre en jeu les +/- 5mV, car je cherche à  mesurer avec une bonne précision le croisement du potentiel du rail par rapport au potentiel d’une conduite.

Enfin la réponse en fréquence ou la réjection du mode commun à  50 Hz, je ne sais encore une fois pas trop quoi répondre. A part que je cherche à  ne rien perdre du signal d’origine, je cherche à  l’avoir le plus brut possible.
Sa fréquence peut être extrêmement variable et il ne répond rarement à  une fréquence donnée.
A propos,  je me suis demandé pourquoi tu avais choisi pour ta sonde de telle fréquence au niveau du filtrage ?

Voici un graphique sur plusieurs jours à  titre d’exemple que je réalise avec des enregistreurs avec un échantillonnage à  la seconde. Bien trop lent pour ce que je veux obtenir et donc je préférerai passer à  l’oscilo.



Concernant les résistances d'entrée du schéma. J’avais bien noté que pour conserver une rejection en mode commun la meilleure possible, il fallait que les résistances les plus « équilibrées » possible, d’où la topologie de mon montage.



Dans l’encadré en rouge, je reproduis le même principe que l’AD8479 soit un montage différentiel classique. Toutefois, comme je souhaitais ne pas trop avoir de déséquilibre provenant de la tolérance des résistances, j’ai mis sur l’une des branches un potentiomètre R5 (trimer 25 tours).
Sur la branche reliée au + de l’ampli nous avons R1+R3 soit 50+5=55 Mohms et sur la branche reliée au â€" de l’ampli nous avons R2+R4+R5a soit 50+2+3=55 Mohms.
Donc les branches sont bien équilibrées!enfin il me semble!et si je suis dans les bonnes pratiques ?

Pour l’ampli je vise un ampli de type FET bien plus abordable que les amplis isolés.
Et enfin de compte, je suis dans la même démarche que toi (l’expérience en moins), je cherche à  réaliser une sonde économique néanmoins bien moins universelle que la tienne et qui répondent à  des contraintes propres à  mon métier.

Désolé pour la longueur de ce texte  ::) , il fallait que je prenne le temps de te détailler tout ça. J’attends ta réponse avec impatience !  :D

Damien

[jaudet]

Bonjour Damien,

Au sujet de la réjection du mode commun:
Si tu as 100V en mode commun et tu veux avoir un max de 10 mV à  la sortie de ta sonde: (causé par le 100V)
Alors cela fait une réjection de 100 / 0.01 = 10000.
20*log(10000) = 80 dB  C'est assez exigent !  Requiert des résistance 0.1% et plage d'ajustement réjection mode commun 0.5 %.

Voici le circuit équivalent du AD8479: en annexe.
Le gain est de 1 et la résistance d'entrée est de 1 Mohms exactement sur chaque entrée.

Pour la réponse en fréquence:  quelle est la résolution de temps requise ?
Ex.: si on observer les variations avec une résolution max. de 1 mSec, alors on aura une bande passante de 1000 Hz.

Dans ton schéma, une résistance de feedback de 5 Mohms va probablement faire osciller l'ampli. Ceci est causé par le
délais (déphasage) par cette résistance et ca capacité d'entrée (approx 5 pF).
Il faudra donc compenser avec un condensateur en parallèle de valeur semblabe.
Aussi il faudra en mettre un ajustable entre l'entrée + et le commun, pour préserver la réjection du mode commun.

Il serait probablement plus facile de faire un diviseur par 10 sur chaque entrée, avec compensation capacitive et résistive ajustable,
comme dans ma sonde.  Ensuite un suiveur pour chaque entrée, suivi d'un ampli différentiel à  4 résistances symétriques.

Voilà ...
Jacques

[cb28]

Bonjour à  tous,

Merci Jacques pour tes nombreux conseils avisés !
L'isolation semble parfaite pour le moment et réglage sont relativement simple garce aux potentiomètres 25 tours.
Il faut tout de même que je prenne le temps de tester plus sérieusement cette sonde. J'ai la chance au travail d'avoir une allime pouvant aller jusquâ€™à  150 V mais aussi de pourvoir tester la sonde sur un calibrateur fluke 5500E.

Voici également une petite vidéo du premier test.

https://youtu.be/xEdL4kTq9Xg

A+

Damien cb28