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Générateur de puissance (faible) 001 - Pro
Dernière mise à jour : 06/11/2022Présentation
J'ai conçu et réalisé ce générateur à la demande du CEA (Commissariat à l'Energie Atomique et aux énergies Alternatives) pour délivrer (dissiper) une puissance constante comprise entre 1 mW et 1 W par le biais d'une chaufferette.
La chaufferette est composée de plusieurs résistances CMS positionnées dans un compartiment cylindrique de dimensions réduites. La régulation en puissance de cette chaufferette est assurée par un système déporté de régulation à base de microcontrôleur PIC qui effectue à intervales réguliers des mesures de l'intensité du courant et de la tension. Le système a été conçu pour fonctionner de manière ininterrompue pendant plusieurs jours.
Jusqu'à une puissance de 100 mW, une mesure de la température reignant au sein de la chaufferette permet d'évaluer son évolution.
Caractéristiques générales
Cahier des charges principal (demande initiale) :
- puissance délivrée constante et ajustable de 1 mW à 1 W, par pas de 1 mW
- précision de 5% maximum sur une courte durée (< 1 h)
- précision de 10% maximum sur une durée de 48 h ou 72 h en régime ininterrompu
- mesure de la température ambiante et de la température au sein de la chaufferette (jusqu'à 100 mW)
- envoi en temps réel des données mesurées (tension, courant, puissance et températures) par UART/USB
- chaufferettes de dimensions réduites (incluant le capteur de température pour le modèle 100 mW)
Synoptique
Synoptique général du système : la partie gauche représente le système de contrôle et de régulation, la partie de droite représente la chaufferette avec mesure de température intégrée. Les deux parties sont reliées entre elles par un câble Ethernet à 8 conducteurs (sans connecteur RJ45 côté chaufferette, câbles soudé).
Synoptique général (circuit de contrôle, chaufferette + capteur température, communication USB vers PC)
Schémas
Pro - Schémas non disponibles en libre service.
Contrôleur (circuit de régulation de puissance) - Schéma volontairement embrouillé
Chaufferette avec capteur de température - Schéma volontairement embrouillé
Circuit de communication (RS232 et USB) - Schéma volontairement embrouillé
Alimentation secteur (normes industrielles) - Schéma volontairement embrouillé
Réglage de la puissance et asservissement
Le réglage de la puissance de consigne se fait par le biais de boutons-poussoirs. Un affichage LCD permet de s'assurer de la bonne valeur de la consigne (S, Set) et de la puissance actuellement mesurée (P, Power). Il indique aussi les valeurs d'intensité de courant (I), de tension (U) et les températures ambiante (A, Ambiant) et déportée (H, Heater) pour la chaufferette 100 mW.
Asservissement
L'asservissement de la puissance dissipée par la chaufferette est réalisé par le logiciel du PIC de la carte contrôleur. Pour cela, l'intensité de courant et la tension de la chaufferette sont régulièrement lues et analysées pour obtenir une "tension d'erreur" utilisée pour compensation.
La régulation de puissance s'effectue par approximations successives et intégration.
Précision des mesures
Une mesure précise des tensions et courants sur une large plage de puissance (de 1 mW à 1 W, soit 3 décades) pose un problème de précision pour les très faibles valeurs de puissance. Pour bénéficier d'une grande précision de mesure de la tension et du courant sur toute la plage de réglage, la combinaison des fonctions suivantes a été adoptée :
- commande proportionnelle pour les faibles valeurs de puissance- conversion A/D 12/14 bits pour la lecture des tensions et du courant, avec commutation automatique de gammes
- conversion D/A 16/18 bits pour l'asservissement / correction en temps réel
Selon la valeur de puissance désirée, la précision oscille entre 50 uW et 1 mW et est toujours inférieure à 1%. D'une manière générale, elle est très nettement supérieure à celle demandée dans le cahier des charges.
Mesure du courant
La mesure du courant circulant dans la chaufferette est assurée par un circuit spécialisé associé à une résistance shunt de précision dotée d'une faible dérive thermique. S'il existe de nombreux circuits dédiés à la mesure de courant (sortie analogique ou numérique), peu d'entre eux malheureusement permettent de travailler confortablement avec des valeurs d'intensité très faibles.
Le circuit spécialisé choisi ici provient de l'écurie Maxim et offre une précision de mesure de 0,1%.
Mesure de la tension
La mesure de la tension aux bornes des résistances chauffantes de la chaufferette est effectuée selon la méthode "4 points", afin de tenir compte de la chute de tension dans le câble de liaison reliant le système de régulation/mesure à la chaufferette elle-même.
Mesure de la puissance
La valeur de la puissance dissipée par la chaufferette est dérivée d'un calcul effectué par le logiciel du microcontrôleur PIC. Une intégration sur "moyen terme" des diverses valeurs lues permet de limiter l'amplitude des oscillations autour de la valeur de consigne.
Mesure de la température ambiante (locale)
La mesure de la température ambiante est assurée par un capteur de température numérique de résolution 0,5 °C.
Mesure de la température de la chaufferette
La mesure de la température de la chaufferette (à proximité immédiate des résistances chauffantes) est elle aussi assurée par un capteur de température numérique de résolution 0,5 °C.
La valeur de température de la chaufferette est transmise 2 fois par seconde au système de régulation.
La distance séparant la chaufferette du circuit de régulation pouvant atteindre 1 à 2 mètres, une liaison série différentielle a été prévue. Le déport de la chaufferette est possible jusqu'à 10 mètres, tout en garantissant une excellente réjection des éventuels perturbateurs électromagnétiques de voisinage.
Important : les composants électroniques utilisés pour la mesure de la température de la chaufferette "100 mW" et pour la transmission des données ne doivent pas fonctionner à une température supérieure à 80°C. Pour une puissance supérieure à 100 mW, il faut utiliser la chaufferette "1000 mW" sans capteur de température.
Envoi des données mesurées
Voir § Acquisition et sauvegarde des données.
Calibrage
Le calibrage permet d'assurer une meilleure précision des mesures réalisées et calculées. Les paramètres pouvant faire l'objet d'un calibrage sont les suivants :
- DacRef - référence de tension externe du convertisseur D/A
- Rshunt - valeur de la résistance shunt permettant la mesure du courant
- CurrSens - gain du capteur de courant
- Rload#1, Rload#2 - valeur de la résistance de charge (nota 1)
- AdcRef - référence de tension interne du convertisseur A/D
- AdcCh0, AdcCh1, AdcCh2, AdcCh3 - coefficient de correction des convertisseurs A/N #1 à #4
Nota 1 : premier facteur de correction prévu pour la chaufferette 100 mW (Rload#1), le second pour la chaufferette 1000 mW (Rload#2).
Logiciel du PIC
Pro - Non disponible en libre service
Circuits imprimés (PCB)
- PCB contrôleur (circuit de régulation) : dessiné / réalisé / testé
- PCB chaufferette avec capteur de température : dessiné / réalisé / testé
- PCB chaufferette sans capteur de température : dessiné / réalisé / testé
- PCB alimentation secteur : dessiné / réalisé / testé
PCB contrôleur (circuit de régulation)
L'écran LCD alphanumérique de 4x20 caractères peut être fixé
au-dessus du circuit contrôleur ou être déporté en face avant
Circuit imprimé réalisé et peuplé.
PCB chaufferette avec sonde de température
Cette chaufferette est conçue pour travailler à puissance
modérée (1 mW à 100 mW) et à une température n'excédant pas 80°C.
Dimensions : 57,0 mm * 7,6 mm (max cahier des charges : 60,0
mm
* 8,2
mm)
Face supérieure (top) = chauffage par résistances de puissance
Face inférieure (bottom) = mesure température + transmission
Circuit imprimé réalisé et peuplé.
PCB chaufferette sans sonde de température
Cette
chaufferette est conçue pour travailler à une puissance comprise entre
100 mW et 1 W (puissance maximale) et à une température
n'excédant
pas 120°C.
Dimensions : 57,0 mm * 7,6 mm (max cahier des charges : 60,0
mm
* 8,2
mm)
Face supérieure (top) = chauffage par première moitié des résistances de puissance
Face inférieure (bottom) = chauffage par seconde moitié des résistances de puissance
Circuit imprimé réalisé.
PCB alimentation secteur
Alimentation double +/-15 V avec filtrage secteur additionnel.
Circuit imprimé réalisé et peuplé.
Acquisition et sauvegarde des données
La transmission des données de mesure de puissance, d'intensité de courant et de tension de la chaufferette, ainsi que celles de température (locale et chaufferette) est assurée par deux ports de communication situés sur la carte contrôleur :
- COM/RS232 (connecteur DB-9) - ce port délivre les données au format texte ASCII (ou au format hexadécimal BIN, en option). La récupération des données nécessite la présence sur l'ordinateur d'un port COM réel (physique) ou virtuel (par une interface RS232/USB).
- USB (Connecteur USB type B) - ce port délivre les données au format texte (ASCII) selon le mode USB-CDC. Ce mode de communication ne nécessite aucun adaptateur physique entre la carte contrôleur et l'ordinateur, le contrôleur étant vu comme un port COM virtuel. Un pilote (driver) USB est requis sur l'ordinateur, comme c'est le cas pour n'importe quelle périphérique USB-CDC.
Remarque
: un mode USB-HID, qui ne réclame l'installation d'aucun
pilote USB sur l'ordinateur,
est également possible. Ce mode testé avec succès sur cette réalisation
est proposé en option, car il nécessite une adaptation physique de la
carte contrôleur (option non prévue dans la demande initiale).
 |
Générateur de puissance non raccordé au PC |
 |
Générateur de puissance raccordé au PC via une liaison RS232-USB (CDC) |
 |
Générateur de puissance raccordé au PC via une liaison native USB-HID |
Deux formats de transmission des données ont été prévus :
- ASCII : format texte - longueur trame variable, valeurs séparées par point-virgule
- BIN : format binaire / hexadécimal - longueur trame fixe, format propriétaire
Le format actuellement retenu est le format texte ASCII.
Transmission au format texte (ASCII)
:Consigne en uW;Puis. en uW;Tension en uV;Courant en uA;T.amb. en 1/10°C;T.chauff. en 1/10°C;[CR]
Délimiteurs trame : début de trame = ":"
et
fin de trame = [CR]
Pour d'évidentes questions de ressources, les unités ne sont pas
incluses dans les trames.
:0000010000;0000009998;0000999987;0000009998;00205;00235;[CR]
=> P = 10.0 mW ; P =
9.99 mW ; U = 0.999 V ; I = 9.99 mA ; Ta =
20.5 °C ; Tc = 23.5 °C
Transmission au format binaire / hexadécimal (BIN)
000000;Consigne en uW;Puis. en uW;Tension en uV;Courant en uA;T.amb. en 1/10°C;T.chauff. en 1/10°C;FFFFFF
Délimiteurs trame : début de trame = [000000]
et fin de trame = [FFFFFF]
Chaque valeur occupe 3 octets.
000000
002710 002710 00270F 002710 0000CD 0000EB FFFFFF
=> U = 10000 uV ; I = 9999 uA ; P = 10000 uW
; Ta = 20.5 °C (205 * 1/10°C) ; Tc = 23.5 °C (235 * 1/10°C)
Les données réceptionnées par l'ordinateur sont insérées dans le tableau d'un logiciel spécifiquement développé pour l'occasion et permettant l'export aux formats Excel et CSV. Les données reçues alimentent également des courbes graphiques qui permettent de visualiser l'évolution des divers paramètres sur les 15 dernières minutes (soit 900 acquisitions, à raison d'une par seconde).
Logiciel PowerGeneratorDAQ
- Acquisition des données via port COM/RS232 (modes ASCII et binaire) : terminé / OK
- Acquisition des données via port USB-HID (aucun driver requis) : en option
- Sauvegarde / relecture données (format brut) : terminé / OK
- Sauvegarde automatique selon la méthode "un fichier par heure" : en option
- Import au format Texte : terminé / OK
- Export aux formats Excel et CSV : terminé / OK
- Validation par simulation : terminé / OK
- Validation avec hardware : terminé / OK
- Tests longue durée : terminé / OK
Historique
06/11/2022
- Première mise à disposition.