Dans cet article, le soi-disant gyrateur de Bruton est présenté. Un type de circuit qui trouvait à l'époque des applications dans l'audio en raison de sa facilité à remplacer les inductances par des circuits actifs composés d'amplificateurs opérationnels, de résistances et de capacités. Dans ce cas, une application différente du rotateur est proposée, dans laquelle il est configuré comme une source de courant continu dont la valeur est sélectionnable en réglant une résistance. Les applications de la source de courant sont développées dans la polarisation des diodes LED à courant élevé, des capteurs à pont de Wheatstone et en tant que chargeur de batterie.
fond
Le rotateur est un concept né en 1948 par Bernard Tellegen pour décrire ces circuits électroniques capables d'inverser le comportement d'une impédance. L'un des circuits rotatifs initialement proposés est décrit par deux amplificateurs opérationnels et quatre impédances, comme le montre la figure 1. Ce circuit a la propriété de modifier le comportement en fréquence de l'impédance Z4 qui est connectée entre les bornes de sortie 2 et 2.'. En particulier, la nouvelle impédance vue aux bornes 1 et 1' est donnée par l'expression :
Zinp=(Z1*Z3*Z5)/(Z2*Z4)
Le circuit de la figure 2 a une configuration plus simple que le précédent, n'utilisant qu'un amplificateur opérationnel et trois impédances, et est appelé gyrateur de Bruton car il a été proposé par cet ingénieur [1]. Son impédance d'entrée est déterminée par l'expression :
Zinp=(Z3*ZL)/Z2
Notez dans ce cas qu'une impédance d'entrée négative est obtenue. Ce fait signifie que lorsqu'un générateur de tension est connecté à son entrée, il absorbe du courant pour des valeurs positives de la tension et inversement.
De cette manière, modifier l'une de ses impédances selon l'équation (2), telle que l'impédance Z2 en tant que condensateur et les autres impédances en tant qu'éléments résistifs, donnerait au circuit un caractère inductif négatif, comme le montre l'expression de l'impédance d'entrée. le circuit résultant :
Zinp=- (R3*RL)/(1/(jwC2))= -jwL
siendo
L=C2∙R3∙RL
Initialement, les rotateurs étaient utilisés pour la synthèse d'inductances dans les circuits passifs RLC, les convertissant ainsi en topologies actives composées uniquement de résistances et de condensateurs.
Alors que la miniaturisation ouvrait de nouvelles possibilités, la platine est devenue un élément important trouvant autant d'applications dans les années 60 et 70 qu'elle l'a fait dans l'audio. En eux, il était très important de se passer d'inducteurs inconfortables (encombrants, non répétables et difficiles à miniaturiser) dans la conception des filtres ou des égaliseurs.
Dans cet article, le gyrateur de Bruton est présenté fonctionnant comme une source de courant continu, une application différente de celle historiquement proposée. Une source de courant commandée en courant et différentes applications dans lesquelles la source de courant conçue peut être appliquée sont proposées.
Le gyrateur de Bruton comme source de courant continu
La configuration en tant que source de courant commence par la sélection de toutes les impédances du rotateur Bruton en tant que composants résistifs et de la référence ou de l'entrée du rotateur, par une référence de courant mise en œuvre via le circuit intégré REF200. Ce composant contient, en plus d'un miroir de courant intégré, deux sources de courant de précision fournissant chacune un courant de 200 µA. La figure 3 montre le gyrateur Bruton configuré pour fonctionner comme un générateur de courant continu commandé en courant. Le courant de sortie (i_o) est défini par l'expression :
i_o=-(R2/R3)[r_e ]
La valeur du courant de sortie i_o est facilement configurable grâce au contrôle des résistances R2 et R3, qui sont à leur tour celles qui définissent le gain du circuit. Ainsi, afin d'obtenir une plage de courant comprise entre 25 mA et 1,2 A, deux transistors bipolaires sont incorporés en parallèle à la sortie de l'amplificateur opérationnel comme illustré à la figure 4, donnant au circuit plus de capacité de courant.
En raison de la faible capacité de courant de l'amplificateur opérationnel (environ 20 mA), deux transistors bipolaires ont été ajoutés en parallèle dans une configuration suiveur-émetteur afin que le circuit résultant ait la capacité de fournir des courants allant jusqu'à 1,2 A. avec un maximum gain de 3000. Pour cela, la référence de courant du circuit (i_ref) est fixée à -400 µA, en associant en parallèle les deux références de courant de 200 µA internes au circuit intégré REF200. D'autre part, la résistance R3 est sélectionnée comme un composant fixe de 5,6 Ω avec la capacité de dissiper des puissances d'environ 8 W, sachant que le courant maximum à supporter dans cette conception sera de 1,2 A.
La résistance R2 sera d'ordre variable et dans la conception qui est proposée dans la gamme des kΩ. De cette façon, le niveau du courant de sortie sera contrôlé, permettant d'atteindre des courants maximum jusqu'à 1,2 A avec des gains allant de 63 à 3000. Une alimentation symétrique de ±10 V sera utilisée.
Comme chaque conception a ses limites, le circuit qui est présenté voit son fonctionnement limité par la tension de sortie maximale (v_o) que peut atteindre l'amplificateur opérationnel, cela signifie qu'on ne peut pas lui demander tout le courant qui est souhaité par la charge. En particulier, cette tension doit être supérieure à tout moment à la somme des chutes de tension entre la base-émetteur du transistor, plus la chute de tension aux bornes de la résistance R3, plus la chute de tension aux bornes de la résistance de charge Rl. Ainsi l'expression doit être satisfaite :
V_sat,AO≥v_be,sat+I_o∙R3+I_o∙RL
Dans le cas de la source de courant conçue et pour une tension d'alimentation de ±10 V, la tension maximale fournie par l'amplificateur opérationnel utilisé (modèle OP07) est d'environ 8,4 V.
Dans ces conditions, un bon fonctionnement en source de courant conduit à envisager deux possibilités : soit augmenter la résistance de charge (R_load) et diminuer le courant de sortie en programmant la résistance R2, soit diminuer la résistance de charge et augmenter le courant de sortie. Si l'équation 5 est satisfaite, on donne au système un comportement typique d'une source de courant dans lequel il doit être indépendant des propriétés de la charge à laquelle il fournit son courant (charge résistive, capteurs, leds, etc.).
Le tableau I montre les résultats obtenus avec la source de courant proposée. On y voit comment, en utilisant une charge résistive RL, il est possible d'obtenir des gains de courant allant jusqu'à 3000 et des courants de 1,2 A toujours dans les conditions établies par l'équation (5). Comme mentionné précédemment, le gain est fixé à partir de la valeur de la résistance R2.
La source de courant mise en œuvre trouve des applications non seulement pour alimenter des charges résistives mais également d'autres types de charges d'intérêt telles que des diodes LED à courant élevé, des ponts de capteurs résistifs ou des batteries rechargeables. Ce qui suit montre comment l'application de la source de courant dans ce type de situation a été résolue.
applications
Caractérisation thermique des diodes LED à courant élevé
Les diodes LED à courant élevé sont actuellement une technologie de grand intérêt du point de vue appliqué en raison de leur longue durée de vie, de leur faible consommation et de leur rendement élevé. Son alimentation en courant constant présente un intérêt particulier du fait de la simplicité de cette méthode et sa chute de tension continue étant établie en fonction de sa caractéristique statique. La source de courant proposée permet de polariser ce type de diodes lorsque des niveaux de courant élevés sont requis. En revanche, alimenter des diodes en parallèle est très simple, répartissant le courant de manière égale tant que les charges sont similaires. L'alimentation en courant constant des diodes LED associées en série est également possible tant que l'équation (5) est satisfaite, puisque dans ce cas la tension de charge est la somme des chutes directes des diodes LED.
L'une des premières expériences a été le développement et l'utilisation de la source de courant pour la caractérisation en température d'une diode LED de puissance. La figure 5 montre le montage expérimental utilisé. La diode LED à courant constant a été polarisée en sélectionnant un ensemble de valeurs (25 mA, 50 mA, 100 mA et 200 mA) en ajustant de manière appropriée la valeur de la résistance R2. Pour chacun d'eux, la diode LED a été soumise à un balayage de température dans l'intervalle [-40ºC..+80ºC] à l'aide d'une chambre climatique. Simultanément, la chute de tension directe aux bornes de la diode a été mesurée de sorte qu'il existe un ensemble de mesures expérimentales qui montrent la dérive thermique de la tension directe VF de la diode LED lorsqu'elle est polarisée à courant constant. Les mesures expérimentales sont acquises automatiquement via un logiciel d'acquisition conçu et l'équipement de mesure a été contrôlé via l'ordinateur personnel via le bus d'instrumentation IEEE488.
Connaître ladite dérive thermique nous permettra de connaître la stabilité thermique de ce composant et la nécessité ou non d'effectuer une éventuelle compensation thermique dans les circuits pratiques dans lesquels il intervient. La figure 6 montre graphiquement l'évolution thermique de la tension directe VF de la diode led. On peut en déduire que la dérive thermique est négative, comprise entre -2,27 mV/°C et -3,04 mV/°C. La figure 7 montre la stabilité de la source de courant pendant le temps du test de caractérisation thermique.
Polarisation des cellules de charge à courant constant
Une autre des situations pratiques dans lesquelles une source de courant est appliquée est dans la polarisation des capteurs. Dans ce travail, il est proposé d'utiliser la source de courant conçue dans l'alimentation d'une cellule de charge (quatre piézorésistances disposées en pont de Wheatstone). Le schéma fonctionnel de cette application est illustré à la figure 8.
Le fabricant de la cellule de charge recommande une tension de 10 V, donc pour une résistance équivalente de 400 Ω, une valeur de courant de 25 mA doit être sélectionnée au moyen du réglage approprié de la résistance R2. Le circuit de conditionnement de la cellule est composé d'un amplificateur d'instrumentation intégré (modèle INA110) et d'un amplificateur non inverseur. L'action combinée de leurs gains permet une sensibilité de 1 V/kg dans le circuit global. Selon le modèle de cellule utilisé (pleine échelle de 15 kg), la caractéristique charge/contrainte a été obtenue expérimentalement en produisant des incréments de 1 kg de la charge d'entrée jusqu'à un maximum de 10 kg. La sensibilité conçue signifie que la tension de sortie est comprise entre 0 V pour une charge nulle et 10 V pour une charge de 10 kg.
La figure 9 montre comment l'alimentation en courant constant contribue à atteindre une linéarité optimale du circuit de conditionnement global. Il inclut la réponse du circuit pour des séries croissantes et décroissantes de charges d'entrée (entre 0 et 10 kg). L'incertitude relative a été inférieure à 1,7 %.
Mots clés
applications de diodes LED ; source actuelle
