Présentation

Ce générateur produit des signaux électriques brefs (largeur d'impulsion réglable sur quelques us) avec une amplitude comprise entre 0 V et 80 V. La période entre chaque impulsion peut être ajustée entre 1 seconde (1 Hz) et 5 ms (200 Hz). Le montage est basé sur l'emploi d'un classique NE555 et d'un monostable TTL de type SN74121. Le circuit de sortie est identique à mon premier générateur d'impulsion 001, un circuit de protection coupe automatiquement l'alimentation 80 V si la sortie présente une tension continue en l'absence d'impulsions de commande (réarmement manuel).

Avertissements

Ce générateur d'impulsion, bien qu'il produise des signaux comparables à ceux produits par un générateur T.E.N.S. (Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation), n'est pas du tout destiné à un usage médical et n'est pas homologué pour cela.
L'étage de sortie 80 V a été simulé mais pas testé pratiquement.

Schéma

Il ne comporte que des composants courants, exception faite du régulateur de tension TL783 qui supporte une tension d'entrée plus élevée que le classique LM317 (125 V contre 37 V) et qui est utilisé dans l'étage de sortie 80 V. 

Générateur d'impulsions

Produire des impulsions d'une largeur de quelques us avec un simple NE555 n'est pas évident, c'est pourquoi j'ai utilisé ici un circuit TTL SN74121 plus à même de remplir ce rôle. Pour ce qui est du déclenchement des impulsions, on utilise un NE555 qui pour la fréquence demandée (1 Hz à 1 kHz) convient très bien.

gene_imp_002

La fréquence théorique des impulsions est définie par la formule suivante (F en Hz, R en ohms et C en Farads) :
F(Hz) = 1,44 / ((R1 + RV1 + (2 * R2)) * C1)
Avec RV1 au min, cela donne la fréquence max suivante :
F = 1,44 / ((1000 + 0 + (2 * 100)) * 0,0000047) = 255 Hz
Avec RV1 au max, cela donne la fréquence min suivante :
F = 1,44 / ((1000 + 220000 + (2 * 100)) * 0,0000047) = 1,38 Hz
On peut utiliser pour RV1 un potentiomètre de type linéaire (lin) ou logarithmique (log), mais le second type est conseillé pour un meilleur étalement de la plage de réglage.

La largeur théorique des impulsions est définie par la formule suivante (T en ns, R en kO et C en pF) :
T(ns) = 0,7 * C3 * (R3 + RV2)
Remarque : cette formule n'est normalement valable que pour un condensateur de valeur supérieure à 1 nF. Avec une valeur inférieure, il faudrait consulter les abbaques (courbes) données par le fabriquant pour une valeur attendue plus précise. Mais avec une valeur de 470 pF, on peut dire que l'erreur n'est pas trop grande et on peut garder cette formule.
Avec C3 = 470 pF (JP1 retiré) et RV2 au min :
T(ns) = 0,7 * 470 * (1.5 + 0) = 493 ns, soit environ 0,5 us
Avec C3 = 470 pF (JP1 retiré) et RV2 au max :
T(ns) = 0,7 * 470 * (1.5 + 22) = 7730 ns, soit environ 7,7 us
Avec C3 = 100 nF (JP1 en place) et RV2 au min :
T(ns) = 0,7 * 100000 * (1.5 + 0) = 105000 ns, soit environ 105 us
Avec C3 = 100 nF (JP1 en place) et RV2 au max :
T(ns) = 0,7 * 100000 * (1.5 + 22) = 1645000 ns, soit environ 1,6 ms
J'ai volontairement choisi deux gammes de largeur d'impulsion qui ne se recouvrent pas et qui diffèrent bien. Vous pouvez adopter pour C3 n'importe quelle valeur qui permettra de répondre à vos besoins. Par exemple avec un condensateur de 1 nF, vous disposerez d'une plage de réglage comprise entre 1 us et 15 us environ

Alimentation du générateur

L'alimentation est ici de 5 V, pas question évidement d'utiliser le 80 V mis en oeuvre pour l'étage de sortie. Le montage a beau être rapide, il ne le serait pas assez pour délivrer ne serait-ce qu'une impulsion avant de mourir. L'élaboration du +5 V peut se faire avec un autre TL783 ou avec un classique régulateur LM7805 si sa tension d'entrée ne dépasse pas 30 V.

Etalonnage

Par étalonnage, je veux parler de la graduation des boutons de potentiomètre pour savoir ce qui sort de l'engin : fréquence et largeur des impulsions. Comme on ne dispose ici d'aucun affichage, il faut bien disposer d'un oscilloscope ou autre appareil de mesure capable de faire des mesures temporelles (fréquencemètre / périodemètre par exemple). Le temps de dessiner les graduations et pour cette occasion précise, vous pouvez emprunter l'appareil de mesure qui va bien à votre voisin. S'il n'en a pas, demander lui d'échanger sa grande télé a écran plat contre l'apareil de mesure qui va bien (s'il hésite, dites-lui qu'il n'aura pas besoin d'en changer dans trois ans). Si décidement personne de votre entourage n'est prêt à se débarrasser de sa télé ou n'est assez gentil pour vous prêter son appareil à 15000 euros, voici une idée des valeurs auxquelles vous pouvez vous attendre avec l'axe du potentiomètre positionné à dix endroits différents (même distance entre chaque position). Le pourcentage indiqué dans les colonnes "Position axe pot. RVx" correspond au pourcentage d'avancement du curseur sur la piste du potentiomètre RVx monté en résistance variable. Cela ne correspond au pourcentage de la valeur totale qui pour RV2 est de type linéaire.

Position axe
pot. RV1
Fréq.
(Osc1)
Position axe
pot. RV2
Largeur imp.
C3 = 470 pF
Largeur imp.
C3 = 100 nF
0%550 Hz0% (0 kO)0,5 us105 us
10%105 Hz10% (2,2 kO)1,2 us259 us
20%56 Hz20% (4,4 kO)1,9 us413 us
30%36 Hz30% (6,6 kO)2,7 us567 us
40%25 Hz40% (8,8 kO)3,4 us721 us
50%19 Hz50% (11 kO)4,1 us875 us
60%14 Hz60% (13,2 kO)4,8 us1029 us
70%11 Hz70% (15,4 kO)5,5 us1183 us
80%8 Hz80% (17,6 kO)6,3 us1337 us
90%6 Hz90% (19,8 kO)7,0 us1491 us
100%2 Hz100% (22 kO)7,7 us1600 us


Les valeur de fréquence données ici sont celles obtenues lors de la simulation du circuit et peuvent différer de celles qu'on obtiendrait avec la formule précitée (si différence il y a, cela est lié à la formule donnée par le fabricant du modèle de NE555 utilisé pour la simulation, qui peut être légèrement différente, style facteur 1,5 au lieu de 1,44). Il va de soi que dans le monde réel les résultats peuvent être encore plus différents à cause de la tolérance des composants qui est parfois très large (surtout pour les condensateurs électrochimiques). Ces valeurs théoriques ne sont pas trop loin de la réalité si on prend des résistances à couche métal et des condensateurs de bonne qualité (polypropylène, polycarbonate ou polystyrène), de préférence des modèles dont le coefficient de température est faible ou nul (type NPO par exemple). Surtout vrai pour les condensateurs C3 et C3' qui sont les premiers concernés.

Etage de sortie 80 V

Cet étage de sortie permet de disposer d'une amplitude de sortie pouvant évoluer entre 0 V et 80 V. Si une amplitude de sortie de 5 V (ou moins) vous suffit, le circuit peut être simplifié... je vous laisse deviner comment.

gene_imp_sortie_80v

Pour comprendre comment fonctionne cet étage, il vaut mieux le séparer en deux sections : celle de gauche (circuit de protection) qui s'arrête grossièrement à la porte logique U2:A et celle de droite (circuit de commande) qui commence par R1.

Circuit de commande

Les impulsions de commande basse tension arrivent sur la base du transistor Q1 via la résistance R1. Ce transistor Q1 conduit quand l'impulsion positive de commande arrive du générateur. Au repos (Q1 bloqué) on retrouve une tension de 80 V sur la base de Q2 - de par la présence de la résistance R3 - et Q2 est bloqué car il s'agit d'un type PNP. Au travail (Q1 passant) la base du transistor Q2 se trouve portée à un potentiel négatif par rapport à son émetteur (ligne +80 V) et Q2 se met donc à conduire. La tension de 80 V se trouve donc via le collecteur de Q2 sur le potentiomètre RV3, dont la position du curseur permet de définir la portion de cette tension dont on souhaite disposer. La diode D1 est une diode rapide de type Schottky, elle est montée de telle sorte que le transistor Q2 ne soit jamais en sursaturation quand il conduit. Si vous ne la mettez pas, le transistor Q2 entrera en conduction rapidement mais se débloquera lentement à cause des charges quil aura stockées et qui s'évacueront lentement. En clair et sans cette diode, la durée des impulsions de sortie serait fortement rallongée et ne correspondrait plus à celle qu'on a en sortie du générateur. Pour donner un ordre de grandeur, on pourrait avoir (sans la présence de la diode) une impulsion de 1 us en sortie du générateur et une impulsion de 5 us à 10 us en sortie de l'étage 80 V. La diode D1 et les deux transistors Q1 et Q2 sont choisis pour supporter la "haute" tension de 80 V. Ne les remplacez pas par des diodes ou transistors standard.

Circuit de protection

Ce circuit est optionnel mais fortement recommandé. Il permet de faire chuter la tension en sortie du régulateur de tension U1/TL783 si la sortie principale présente une tension continue fixe en absence d'impulsions de commande (situation de panne lié au claquage et mise en court-circuit de Q1 ou Q2, par exemple). Le principe de fonctionnement est simple et s'appuie sur une fonction "OU exclusive"(XOR, porte logique U2:A) : il consiste à s'assurer qu'on ne dispose d'une tension de sortie que lorsque des impulsions de commandes sont réellement présentes. Pour ce faire, on "compare" les tensions présentes en broches 1 et 2 de U2:A. La broche 2 reçoit les impulsions venant du générateur et la broche 1 reçoit une tension de 5 V qui provient de la sortie principale (avant potentiomètre de réglage de niveau), via la résistance R4 et la diode zener D2 de 5,1 V. En temps normal, on ne dispose d'une tension en sortie 80 V que lorsqu'il y a des impulsions en sortie du générateur. Dans ces conditions, la sortie de la porte logique XOR se trouve à un niveau logique 0 et le circuit de protection ne joue aucun rôle. Si pour une raison ou une autre la tension de sortie est supérieure à 5 V en absence d'impulsion de commande, la porte logique délivre un état haut et amorce le triac U3, qui court-circuite la résistance R7 et abaisse ainsi d'un coup la tension de sortie à une valeur bien plus faible. Comme l'étage de sortie n'est pas parfait et que durant une fraction de temps la sortie délivre encore sa tension au moment où disparaît l'impulsion de commande (temps de blocage de Q2), un petit filtre RC constitué de R5 et C1 absorbe les pics brefs créés à cette occasion. Le réarmement (déblocage du triac) s'effectue en coupant la liaison entre triac et +80 V, grâce au cavalier JP1 (ou bouton poussoir de type Normalement Fermé). Le point marqué Fault sur le schéma est au niveau logique haut tant que dure le problème. Une remarque concernant cette topologie de protection : elle demande une porte logique isolée alimentée en 5 V, on pourrait dire que ce n'est pas un choix terrible. Il existe peut-être un moyen de réaliser simplement une fonction XOR avec des transistors, mais je n'ai pas trouvé comment faire. Mais après tout, les circuits intégrés sont là pour simplifier la vie, non ?

CATÉGORIES

Copyright © 2018 Des circuits électriques pour radioamateurs.