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Electronique

Testeur de diodes Zener

vue de l'appareil terminé... Je vous présente dans cette page mon approche concernant la construction d'un testeur de diodes Zener.
Il en existe bien sûr plusieurs versions DIY sur le net, mais j'ai quelques exigences...

Principe de fonctionnement

Je suis souvent confronté à des alimentations à découpage dans lesquelles il est fait usage de diodes Zener pour stabiliser certaines tensions et le comble de malchance, c'est que trop souvent leur marquage est illisible voire quasi inexistant. C'est tout l'intérêt de cet instrument.

La plupart des montages que j'ai pu voir sur Internet ne permettent pas de tester des diodes Zener ayant un seuil de tension inverse supérieur à 30V. Hors il m'est déjà arrivé d'être confronté à des diodes Zener de 33V voire 36V. Pour vérifier ces derniers modèles il convient donc de pouvoir dépasser ce seuil de 30V.
Dans un article paru dans la revue Elektor en Mars 2010 un tel dispositif y est présenté, permettant même de tester des diodes jusqu'à 200V, mais il y est fait usage principalement de deux transformateurs (trois si l'on considère celui réservé à la polarisation du petit voltmètre de tableau intégré...). Je n'ai jamais été confronté à ces valeurs si élevées qui ne m'intéressent pas dans ce projet, et d'autre part je ne souhaitais pas dépasser le seuil de 48V pour de simples raisons de sécurité. L'utilisation dans l'article précédemment cité d'une source de courant ne me laisse pas indifférent, et je m'en suis ici inspiré.

J'attire toutefois votre attention sur le fait que cet instrument n'est pas destiné à contrôler une diode Zener sur circuit, elle doît impérativement être déposée avant toute mesure.

Mes exigences et/ou contraintes

 INFOS PROJET
 Types de composants : Traversants
 Niveau : ◆◇◇◇◇
 Temps de construction, mise au point : env. 5 h ++
 Coût : ~ 35-40€ (HT)
  • utiliser le maximum de composants de récupération, dont principalement l'inductance L1 (modèle retenu de 4,7 mH

  • pas de transformateur, l'alimentation se faisant grâce à un petit bloc d'alim. à découpage DC12V / 1A

  • utilisation d'un coffret existant (désolé, pas de réf car vieux modèle d'environ 30 ans...) dans mes tiroirs, modèle en alu,
    dimensions (L x l x h) : 100 x 70 x 40 mm
  • utiliser le principe d'une source de courant offrant plusieurs calibres de mesure
  • ne pas dépasser le seuil des 48V, tension disponible sur les deux prises banane en l'absence de diode à tester
    (sauf si le commutateur se trouve sur la position "0"...)

Mais comment faire pour générer la différence de potentiel nécessaire à la mesure sans utiliser de transformateur, et le tout avec un maximum de composants (pour la plupart de récupération...) disponibles dans mes tiroirs ? L'idée première était de concevoir un convertisseur élévateur de tension (convertisseur Boost) pour atteindre la quarantaine de volts requise, mais après plusieurs essais avec différents circuits spécialisés (LM3578, MC34063...), je me suis vite aperçu que ce type de montage avec les inductances dont je dispose ne dépassait guère les 28-30V, insuffisant dans le cas de mon projet. J'ai aussi testé le montage oscillateur de type astable articulé autour du classique NE555, et c'est en définitive la solution que j'ai retenue pour générer une tension de plus de 40V afin d'alimenter la source de courant. De plus la plupart d'entre nous dispose de ce composant dans ses stocks.

L'oscillateur et son circuit hacheur

Dès la mise sous tension par la prise 12V (je n'ai pas prévu d'interrupteur général...) l'oscillateur organisé autour du NE555 démarre à la fréquence d'environ 1,4 KHz, le circuit hacheur composé du transistor T1 (IRF740 - MOSFET Canal N) et de l'inductance L1 (4,7 mH) ne commençant à découper que lors de la pression sur le bouton poussoir. L'intérêt de cette fonctionnalité est d'éviter au maximum l'échauffement dans l'inductance. La fréquence de fonctionnement a été choisie suite à plusieurs manipulations avec mon générateur de fonction SIGLENT SDG1032X afin d'obtenir une tension supérieur à +40V sur la cathode de la diode D1 (1N5061). La résistance R6 (47 kΩ) sert à décharger le condensateur de filtrage C3 (1 µF/100V).

Le bouton poussoir ne permet l'alimentation du circuit hacheur que lors d'une pression sur celui-ci, le circuit oscillateur restant continument alimenté. La raison est qu'au vu de l'oscillogramme (voir Figure 5) la différence de potentiel de 1VC/C présente sur la résistance R5 (1 Ω) implique un courant de 1A (nous sommes en présence ici d'un régime impulsionnel...) pour une puissance maxi de 1W. La trace CH I correspond au signal relevé sur le drain du transistor, tandis que la trace CH II est celle de sa source par rapport à la masse, et donc du signal absorbé par la résistance R5. La montée progressive correspond à l'accumulation d'énergie dans l'inductance durant la conduction (ton=294 µs) du transisor MOSFET.

L'inductance que j'ai sélectionnée provient d'une ancienne alim. à découpage et je n'en connais pas ses caractéristiques hormis sa valeur indiquée sur le corps (petit problème lors de mes manips, j'ai dû la réparer, une patte cassée c'est la raison de cette gaine jaune...). Elle atteint assez rapidement plus de 40 °C ce qui laisse effectivement penser qu'elle n'est pas en capacité de travailler longtemps sous ce courant élevé. Il faudrait sans doute préférer une inductance comme le modèle Murata 1447509C par exemple, mais les dimensions de mon PCB ne permettent pas de l'y placer, il faudrait alors tout revoir... :-(
Cependant le temps de mesure étant relativement court, quelques secondes tout au plus, cela reste acceptable pour une utilisation sporadique.

Une autre approche serait d'utiliser une inductance de 15 µH par exemple, et de modifier le circuit oscillateur pour atteindre une fréquence d'environ 50 KHz... pourquoi pas... celle que j'ai en stock n'acceptait pas de fonctionner dans un tel système...

La source de courant constant

Une source de courant constant maintient un courant prédéfini (ici en fonction des résistances R9 à R13) à travers une charge composée de la Zener à tester (D.U.T) en série avec la diode D2 qui ne sert que de protection contre les court-circuits, quelqu'en soit sa valeur. Ainsi si l'on considère le courant de base de T2 comme négligeable par rapport à son courant d'émetteur, on peut estimer que le courant de collecteur est quasiment égal au courant circulant dans la jonction d'émetteur.

Cette source de courant est composée du transistor T2 (BD140) en mode "base commune", la diode Zener ZD1 (BZX55C 4,7V) et la résistance R8 (2,2 kΩ) polarisant sa base. Un commutateur rotatif permet de sélectionner une résistance parmi les 5 disponibles afin de choisir un courant pour le circuit de mesure. Les valeurs de ces résistances ont été calculées de façon à obtenir les courants proposés, à savoir 1 mA / 2 mA / 5 mA / 10 mA et 50 mA. La méthode de calcul de ces valeurs s'effectue simplement comme suit :

I = (VZD1 - VBE) / Résistance d'émetteur ce qui nous donne avec les valeurs standard de la série E24 :

I = (VZD1 - VBE) / R9   = (4,7V - 0,6V) / 3900 Ω =   1,05 mA
I = (VZD1 - VBE) / R10 = (4,7V - 0,6V) / 2000 Ω =   2,05 mA
I = (VZD1 - VBE) / R11 = (4,7V - 0,6V) / 820 Ω  =   5,00 mA
I = (VZD1 - VBE) / R12 = (4,7V - 0,6V) / 390 Ω  = 10,51 mA
I = (VZD1 - VBE) / R13 = (4,7V - 0,6V) / 82 Ω    = 50,00 mA

Pour vérifier le bon fonctionnement de cette source de courant, il est possible de placer par exemple une résistance de 100 Ω / 1% en lieu et place d'une Zener à tester, la mesure de sa différence de potentiel à l'aide d'un voltmètre (analogique ou numérique...) raccordé sur les douilles "DVM" doît confirmer la justesse des courants ci-dessus indiqués.

La consommation totale de l'instrument durant une mesure est de 165 mA sous 12V.

Schéma de principe

Figure 1

Circuit imprimé

Figure 2
Figure 3
Testeur de diodes Zener 0A8A83400E (Bottom)
Figure 4

 

Réalisation

Pour cette réalisation je n'ai pas fabriqué de circuit imprimé mais utilisé deux platines pastillées de 60 x 40 mm montées en impériale. La première accueille les circuits oscillateur et hacheur, la seconde la source courant et son commutateur rotatif.

J'ai cependant dessiné sous Eagle le circuit imprimé mono-carte au format 95 x 65 mm, les fichiers gerber sont inclus dans l'archive de mon projet. Peut-être que mon exemplaire personnel restera sous forme de proto, ou pas...
Un œil avisé aura sans doute remarqué un petit circuit imprimé "bizarre" monté sur la platine inférieure (voir Figure 8)... il s'agit d'une petite plaquette d'adaptation SOIC-8 vers DIP-8 car mon NE555 est en version CMS. Le composant enveloppé dans de la gaine thermorétractable jaune est l'inductance de 4,7 mH. J'ai utilisé comme bouton poussoir un modèle de la série "D6" soudé sur un petit morceau de platine pastillée et fixé au moyen de la vis de maintien des deux platines montées en impériale. L'avantage de cette disposition est que le chapeau du bouton poussoir arrive à effleurement du coffret. Cela fait beaucoup de pièces rajoutées les unes aux autres mais encore une fois il ne s'agit ici que d'un prototype.
Vous remarquerez également que les deux transistors ne disposent pas de refroidisseurs, pourtant présents sur le schéma. J'ai seulement prévu leurs emplacements sur le circuit imprimé définitif, il sera toujours possible de les ajouter si le besoin s'en fait sentir.

Une petite particularité concernant la valeur de 35,5 kΩ de la résistance R3... cette valeur n'existant pas même dans la série E96, le plus simple est d'utiliser deux résistances de 25,5 kΩ / 1% (serie E96) et de 10 kΩ / 1% (série E24) montée en série devenant ainsi respectivement R3 et R3', ce que j'ai fait sur mon exemplaire.

Finition

Pour concevoir la face avant j'ai utilisé comme d'accoutumée l'excellent logiciel gratuit "Front Panel Express". L'impression laser effectuée sur un support adhésif polyester argent mat style "alu" permet d'obtenir une belle sérigraphie (voir Figure 6). Des bulles restent malgré tout visibles, ceci exige en effet un support très bien préparé.

Oscillogrammes

Figure 5

Quelques photos

Figure 6
l'appareil muni de sa sonde de mesure...
Figure 7
vue du prototype ouvert...
Figure 8
 
       

 

Packages comprenant : save f2
◊ Schéma de principe sous Eagle v7.7.0
◊ Dessin de la sérigraphie de la face avant
◊ BOM liste des composants
◊ Oscillogrammes
◊ Photos de ma réalisation

 


D.U.T : Device Under Testing (composant à tester)

Quelques liens vers les sites de mes amis...

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