CP0096 Sonde différentielle pour oscilloscope 600V-600kHz

AVERTISSEMENT – WARNING

Si elle est correctement réalisée, cette sonde permet de mesurer sans risques des tensions de montages connectés au secteur tant que la tension de mode commun (entre entrée et terre) et différentielle (entre les 2 entrées) n’excède pas 600V.
La construction et l’utilisation n’étant pas effectuée par mes soins, je ne saurais être tenu responsable de tout dommages matériels ou corporels liés à son utilisation. Ce montage n’est donné qu’à titre d’exemple de réalisation et son utilisation est sous votre entière responsabilité. De plus, faire des mesures sur des équipements reliés au secteur est potentiellement dangereux et nécessite d’avoir les connaissances et le matériel requis. En cas de doute abstenez-vous. Cette vidéo peut vous donner les conseils de base en la matière.

Présentation

Les sondes différentielles permettant de faire des mesures de manière sécurisée sur le secteur coutent fort cher et représente un investirent souvent trop important pour les électroniciens amateurs. Or, le besoin n’est souvent pas de faire des mesures hyper précises mais juste de rechercher les pannes sur les alimentations à découpage.

Ceci m’a conduit à concevoir cette sonde différentielle très simple à fabriquer et à utiliser. Ce schéma permet d’utiliser un très grand nombre d’amplificateurs opérationnels sachant que la bande passante sera intimement liée à celle de celui-ci. Même un bon vieux LM741 peut convenir mais la bande passante sera limitée, si c’est juste pour mesurer du sinus à 50Hz, c’est acceptable.

Avec l’ampli que j’ai utilisé (LT1357) la bande passante à -3dB est de 600kHz ce qui est plus que suffisant pour les dépannages courants.

Voici ses caractéristiques principales :

Facteur d’atténuation : X100
Tension Max mode commun : 600V
Tension Max mode différentiel : 600V
Impédance de mode commun : 10 MOhm
Impédance de mode différentiel : 20 MOhm
Capacité entrée : <4pF
Impédance de sortie : 500 ohm
Tension de sortie : +/- 6V
Bande passante -3dB : 600kHz (dépend de l’AOP utilisé)
Alimentation : Selon Aop et option choisi

Cette sonde n’est pas hyper précise et le schéma est loin d’être optimum, l’idée ici est principalement de répondre aux critères suivants :
•    Simplicité
•    Pas de composants rares ou coûteux
•    Grand choix d’ampli op possible
•    Ajustement simple
•    Suffisant pour le dépannage des alimentations à découpage
•    Facile à bidouiller
•    Facile à fabriquer
•    Facile à utiliser
•    Prix modique et utilisation maximum de composant de récup.
Pour celles et ceux qui recherchent plus de performance, on trouve sur le net des réalisations plus performantes mais qui souvent ne répondent pas aux critères ci-dessus.

Vidéo de présentation

Avant de voir cette vidéo, je vous conseille vivement de regarder celles-ci pour meiux comprendre :

- Sondes différentielles
- Isolation galvanique
- Amplificateur d'instrumentation



Voici le schéma du biniou

CP0096.GIF

Circuits imprimés

Ce montage a inspiré de quelques internautes qui ont conçus des PCB pour cette sonde. Ils m'ont envoyés leurs réalisations afin de les partager , les voici dans l'ordre où je les ai reçu.
Un grand merci à eux pour leurs contributions.

La réalisation de Kévin sur EasyEda

La réalisation de Michel ON4LAU :  Au format PDF Au format GERBER

La réalisation d'Olivier : Au format PDF  Au format TCI

Option d'alimentation avec 2 ICL7660




CP0096C.GIF



Schéma au format SPlan

Conseils de montage

•    ATTENTION : ne pas chercher à remplacer R1,R3,R5 (ou R2,R4,R6) par une ou deux résistances même si la valeur finale est identique, en effet la tension d’isolation des résistances standards n’est pas suffisante.
•    De même C1 à C6 doivent tenir 250V minimum
•    L1 et L2 sont optionnelles, elles améliorent la réjection de parasites HF
•    Soigner particulièrement l’isolation des entrées, respecter les distances dans l’air et sur le PCB (voir Distance-d-isolement-electrique-valeurs-sur-circuit-imprime )
•    Les valeurs de C7 et C8 devrons peut-être être ajustées, prévoir le circuit en conséquence
•    Souder C11 et C12 au plus près de l’ampli

Procédure de réglage

Avant tout, alimenter la sonde et vérifier la présence des 2 tensions d’alimentation.
Connecter la sortie à un oscilloscope (réglage X100 si possible afin de lire les tensions directement)

1 - Réglage du zéro

Court-circuiter les entrées et connecter un oscilloscope à la sortie, couplage continu, sensibilité maximale, (BW limitée si possible).


Adj_Zero.jpg

Régler ‘ZERO’ pour avoir une tension moyenne de sortie nulle

2 -Réglage de réjection du mode commun (CMRR)

Se munir d’une source de tension sinus 50Hz tension maxi disponible, la connecter entre la masse de la sonde et les 2 entrées reliées ensemble. Laisser l’oscillo comme avant.

Adj_CMRR.jpg


Régler ‘CMRR’ pour avoir une tension alternative minimum en sortie

3 - Réglage de la compensation de l’entrée –

Mettre l’entrée + à la masse, connecter un générateur d’impulsions 1kHz entre masse et entrée – tension max disponible sur le géné.
Enlever la limitation de bande passante du scope et le régler pour observer un créneau de manière optimal.


Adj_Cmp-.jpg

Régler ‘Cmp-‘ pour avoir le créneau le plus ‘carré’ possible

4 - Réglage de la compensation de l’entrée +

Mettre l’entrée - à la masse, connecter un générateur d’impulsions 1kHz entre masse et entrée +
Laisser l’oscillo réglé comme il est.


Adj_Cmp+.jpg

Régler ‘Cmp+‘ pour avoir le créneau le plus ‘carré’ possible

5 - Peaufinage et test final

Connecter le géné de signal entre l’entrée + et l’entrée -, toujours avec un signal carré, retoucher légèrement Cmp+ au besoin.


Final.jpg

Mettre un signal sinus et augmenter la fréquence, l’amplitud doit rester stable et baisser doucement, lorsqu’elle atteint 0.7 fois la tension nominale, noter la fréquence, c’est la bande passante.
Continuer à augmenter la fréquence, l’amplitude doit continuer à diminuer.

6 – Vérification de la justesse.

Mesurer la tension secteur RMS avec un multimètre. Brancher les entrées de la sondes sur le secteur et mesurer la tension sur l’oscillo, elle doit être proche.


Possibilités de changement ou d'amélioration

De très nombreuses variations peuvent être effectuées sur ce schéma, voici quelques pistes :

Choix de l’ampli OP

Quasi tous les amplis OP peuvent être utilisé. Attention cependant, le réglage d’offset ‘zéro’ peut être différent selon les modèles, voir absent. Si le modèle n’est pas compensé, il faudra le faire extérieurement pour être stable à gain ‘Unité’. On veillera aussi selon les cas à adapter le filtre passe bas en sortie.

Précision des composants

Il est recommandé de prendre pour R1 à R6 et R7,R8,R11 des modèles à 1% voire mieux si dispo.
On peut aussi les appairer par triage. 

Réglage du gain (précision de la mesure)

Il est possible de rendre le gain total ajustable de manière que la sonde soit plus précise. Pour cela on peut remplacer R11 par un 91K en série avec un ajustable 10T de 20K. Le problème de faire cela est que le réglage va devenir difficile du fait que le gain et le CMRR seront interdépendant et qu’il faudra procéder par ajustement successif.

Abaissement de l’impédance d’entrée

J’ai choisi une impédance d’entrée de 10M pas sécurité, pour avoir une capa d’entrée faible et perturber le moins possible le circuit testé. Cela limite la bande passante. On peut la passer à 1M en divisant par 10 R1 à R6 et R7,R8,R10,R11. Il faudra peut-être aussi dans ce cas augmenter un peu C1 à C8.

Sonde ‘basse tension’

Ce schéma est tout à fait utilisable pour avoir une sonde X1. Il suffit de virer les atténuateurs d’entrée et de multiplier par 10 R7,R8,R10,R11. Une protection des entrées par des diodes est souhaitable.

Quelques photos de la bête


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Bande passante
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Sans filtre passe bas de sortie

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