Dernière mise à jour :
23/01/2011
Présentation
Cette réalisation permet de convertir un
signal
PWM
(MLI) en une tension
continue dont la valeur est proportionnelle au rapport cyclique du
signal PWM, sur une plage de 0 à 10 V. Si le signal PWM présente un rapport cyclique de 1%,
la
tension continue produite est de 0,1 V. Si le signal PWM présente
un
rapport cyclique de 99%, la tension continue produite est de 9,9 V. Il
s'agit donc d'un montage qui produit l'effet inverse de mon
gradateur
de lumière 005,
qui pour sa part produit un signal PWM dont le rapport cyclique
dépend
d'une tension continue. La linéarité de ce convertisseur
PWM / Tension
est relativement bonne, un signal PWM de rapport cyclique 35% produit
une tension continue de l'ordre de 3,5 V, et un signal PWM de
rapport cyclique 75% produit une tension continue de l'ordre
de
7,5 V. La fréquence (fixe) du signal PWM peut être comprise
entre 200 Hz et 20 kHz. Trois schémas sont proposés :
-
Schéma 001(a) - Schéma de base sortie 0 - 10 V
-
Schéma 001b - Schéma amélioré avec filtre de sortie supplémentaire
-
Schéma 001ab - Schéma avec sortie de puissance 2 A
Schéma 001(a)
J'ai bien peur que ce schéma soit trop simple pour certains, qui
vont
donc considérer qu'il ne peut pas offrir des
résultats
satisfaisants. J'ai bien peur de ne pas pouvoir me joindre à
100% à ces
personnes, car après tout, flute, ça fonctionne
assez bien pour
tenter sa réalisation.
Un simple filtrage
passe-bas...
Pour être franc, ce système peut même paraître
surdimensionné, les
deux seuls composants vraiments nécessaires étant la
résistance R1 et
le condensateur C1, qui à eux deux forment un petit filtre
passe-bas.
Supprimez tout le reste, et vous avez déjà votre
convertisseur PWM /
Tension. Vous ne me croyez pas ? Essayez, et vous verrez bien. Alors
pourquoi d'autres composants ? Et bien tout simplement pour "parfaire"
le résultat. L'idéal en effet est de minimiser la charge
du filtre passe-bas, c'est à dire de se faire le plus discret
possible en sortie du filtre (point de raccordement R1 / C1) pour ne
pas perturber son fonctionnement. Dans le cas qui nous concerne, se
faire le plus discret possible signifie brancher la sortie du filtre
sur un circuit dont l'entrée est à haute
impédance. Quoi donc de plus naturel donc que de s'orienter vers
un petit
amplificateur
opérationnel, qui répond justement à cet
impératif, et qui de surcroit présente une sortie basse
impédance capable de piloter facilement ce qu'on veut par la
suite ? L'AOP en question est contenu dans un boitier à 8 pattes
(DIL8), qui en comporte deux identiques (un des deux AOP du boitier
reste donc inutilisé).
Gain (amplification)
Et tant qu'on y est, mettons à profit ce petit AOP pour pouvoir
calibrer la tension continue de sortie. Comme vous l'avez
peut-être lu (sur ce site ou ailleurs), un AOP peut être
monté en amplificateur, et le gain (amplification) qu'il peut
apporter peut être fixé par le choix de deux
résistances, dont l'une peut être rendue variable. C'est
ce qui est fait ici. Le signal issus du filtre passe-bas R1 / C1 est
raccordé à l'entrée positive (non-inverseuse) de
l'AOP, nous avons donc affaire à un amplificateur non-inverseur.
Et c'est tant mieux, car si nous avions cablé notre AOP en
amplificateur inverseur, nous n'aurions pas grand chose à nous
mettre sur la dent en sortie du montage, ce dernier étant
alimenté avec une alimentation simple (unique) et non
symétrique (double). Traduction : la sortie serait toujours
à
zéro volt. Follement amusant les premiers temps, mais au bout
d'un moment on s'en lasse (c'est comme avec sa compagne : au
début on se regarde dans les yeux en souriant, et au bout d'un
moment on s'enlace). Nous disions donc amplificateur non-inverseur,
dont le gain est défini par la formule suivante :
Gain = (RV1 / R3) + 1
Si on donne à RV1 la même valeur que R3, la tension de
sortie est le double de celle appliquée à l'entrée
: pour une tension d'entrée de +5V, on sort +10V. Pratique pour
travailler sur une plage de tension de sortie de 0V à 10V avec
une tension d'entrée comprise entre 0V et +5V, non ?
"Tension d'entrée entre 0V et +5V ? Mais je croyais que le
signal PWM était numérique et qu'il ne pouvait prendre
que les deux valeurs 0V
ou
+5V
?"
Oui, avant le filtre R1 / C1, il s'agit bien d'un signal
numérique (je me permet de vous rappeler en passant, qu'un
signal numérique est une forme de signal analogique). Mais
après le filtre R1 / C1, il s'agit d'un
signal analogique qui peut varier
entre
0V
et +5V.
C'est fou ce dont
est capable d'assurer comme rôle un
simple couple RC.
Autre plage de tension de sortie
Pour obtenir une tension de sortie maximale de valeur égale
à l'amplitude du signal PWM d'entrée, remplacer le
potentiomètre RV1 de 2K2 par un potentiomètre de 22 ohms.
En théorie, il suffit de relier directement la sortie de l'AOP
avec son entrée inverseuse, on se retrouve dans ce cas avec un
montage suiveur classique qui n'apporte pas de gain. Mais en pratique,
une résistance ajustable de faible valeur dans la boucle de
contre réaction permet d'ajuster précisement la tension
de sortie à la valeur désirée (tension de 3,3 V en
sortie pour un signal PWM de 3,3 V et de rapport cyclique 99% en
entrée, par exemple).
Un autre filtre passe-bas
en sortie
Aucune obligation d'ajouter ce second filtre passe-bas constitué
de R2 et de C2 ! Je l'ai mis pour lisser un peu le signal de sortie,
qui souffrait d'une ondulation un peu exagérée à
des fréquences basses du signal PWM. Mais en toute rigueur, il
faudrait déjà ajuster les valeurs de R1 et de C1 en
fonction de la fréquence du signal PWM. Quelle valeur choisir
pour R1 / C1 et pour R2 / C2 en fonction de la fréquence du
signal PWM, pour avoir les meilleurs résultats ? Et si je vous
laissais faire quelques tests pour vous
permettre de vous rendre compte par vous même ? Ce n'est pas si
dur que ça, après tout. Commencez avec les valeurs de
composants du
schéma, aux fréquences extrêmes de 100 Hz et 20
KHz. Si vous avez un oscilloscope, c'est super, vous comprendrez
très vite. Sinon, contentez-vous d'un multimètre... et de
votre perspicacité.
Schéma 001b - Filtre passe-bas additionnel en sortie
On ne s'en lasse pas... Le montage présenté ci-avant
fonctionne bien, mais on peut trouver une ondulation de la tension de
sortie un peu trop importante pour les fréquences basses. Si
cela n'est pas trop gênant quand la tension de sortie attaque un
galvanomètre à aiguille sensible (parce que l'aiguille,
qui possède une certaine inertie mécanique, ne peut
suivre l'ondulation), il n'en est pas forcement de même si on
utilise un affichage numérique, qui risque alors d'afficher une
valeur instable. Une solution consiste à améliorer un peu
le filtre de sortie, selon le schéma présenté
ci-après.

Avec
un peu de chance, et moyennant une petite adaptation des valeurs de
composants (même pas sûr que ce soit nécessaire, à vous de réfléchir),
on pourrait peut-être l'utiliser pour le
gradateur de lumière 014/014b.
Schéma 001ab - Sortie de puissance
Les deux montages présentés
ci-avant ne sont pas capables de délivrer une forte intensité de
courant, ils ne sont d'ailleurs pas fait pour ça. Pour une tension de sortie
variable capable d'attaquer une charge de faible impédance, il faut
ajouter un étage de sortie capable de supporter un fort courant. Un
exemple est donné avec le schéma suivant.

Le
transistor TIP122 est un darlington de puissance capable de débiter 5
A. Ce composant doit impérativement être doté d'un dissipateur
thermique (radiateur) pour son refroidissement. On retrouve dans
la première moitié gauche du montage le schéma de base vue tout au
début. La moitié droite du schéma a été ajoutée pour permettre une
sortie en courant élevée, jusqu'à 2 A. Le transistor TIP122 est monté
en suiveur de tension et répercute donc sur son émetteur la tension
présente sur sa base, normalement amputée de la tension base - émetteur
qui est ici d'un peu plus de 1 V (ce transistor est un darlington).
Pour éviter que cette perte de tension nous embête et que pour un
signal PWM de rapport cyclique inférieur à 10% on ait toujours 0 V
en sortie finale, on ferme la boucle de contre-réaction du second AOP
U1:B non pas sur la sortie de l'AOP lui-même, mais sur l'émetteur de Q1. En procédant
ainsi on élimine la tension de déchet base - émetteur de Q1. La
procédure d'ajustage se fait maintenant en deux étapes.
1 - Mettre les
deux potentiomètres ajustables RV1 et RV2 en position centrale et
brancher une résistance de 100 ohms / 1 W en sortie du montage (entre
émetteur de Q1 et masse).
2 - Appliquer un signal PWM de 1 kHz / rapport cyclique de 90% en entrée du montage.
3 - Ajuster RV1 pour obtenir 9,0 V aux bornes de C2.
4 - Ajuster RV2 pour obtenir 9,0 V entre l'émetteur de Q1 et la masse.
Remarque
: vous pouvez adapter de la même façon le schéma 001b. Dans ce cas
l'entrée non-inverseuse de U1:B doit être reliée sur le point commun R5
/ C4.
Avertissement : je n'ai pas testé cette adaptation de sortie forte puissance !
Retours utilisateurs (prototypes)
Stéphane B., concepteur lumière, a utilisé ce montage pour un gradateur de lumière automatique piloté par Arduino.

Le signal de sortie PWM de l'Arduino est transformé en une tension
continue variant de 0 à 10 V, et cette tension continue attaque ensuite un
gradateur de lumière disposant d'une entrée de commande analogique 0-10
V.