Double sonde différentielle isolée 1/10 1/100 pour oscilloscope

Nous souhaitons construire une double sonde différentielle isolée pour oscilloscope. Autrement dit, un boîtier à 2 voies. Chacune des voies a une entrée - (embase banane noire) et + (embase banane rouge) isolée, et une sortie (embase BNC). La sortie reflète la différence de tension entre les 2 sondes d'entrée atténuée d'un facteur 100 ou 10 (réglable). La sonde a une bande passante du continu à 4 MHz, une impédance d'entrée de 1.5 MΩ. Elle est alimentée par une embase USB C.

(Notre oscilloscope dispose d'une prise USB)

La sonde peut servir à dépanner en toute sécurité, par exemple, une alimentation à découpage reliée au secteur. Rappelons qu'il est dangereux et formellement déconseillé de relier, par exemple, la masse d'une sonde d'oscilloscope sur le neutre du secteur (ou pire encore, la phase !).

Pour pouvoir dépanner une alimentation secteur, avec notre sonde 2 voies on peut parfaitement relier le négatif de la sonde au - du condensateur chimique d'entrée (qui est chargé à plus de 300 V !) et le positif sur le + du condensateur ou sur le drain du Mosfet de commutation... On peut même relier le négatif de la 2e sonde à un point différent du négatif de la première entrée. Le tout en sécurité et avec une atténuation d'un facteur 100 ou 10. (On peut, en général, régler ces atténuations sur les oscilloscopes pour que les mesures des tensions affichées soient correctes).

Réalisation :

Pour chaque voie, l'entrée - en série avec 3 résistances de 220 kΩ, l'entrée + idem. Ces résistances garantissent l'isolement, la sécurité et l'isolation (Attention : pour des questions de sécurité, il ne faut pas remplacer ces 3 résistances par une unique résistance).

Une résistance d'atténuation commutable avec un double inverseur : 3.9 kΩ pour 1/100 et 33 kΩ pour 1/10.

Une première moitié d'un amplificateur opérationnel (nous avons utilisé un vulgaire TL072 mais beaucoup de modèles conviennent) est reliée à l'entrée + en inverseur. Sa sortie est reliée à l'entrée - de la 2e moitié dont l'entrée est reliée à l'entrée - de la sonde via l'atténuateur d'entrée. La sortie de la 2e moitié est reliée à la BNC de sortie via une résistance de 56 Ω. Un potentiomètre de 100 kΩ relié entre les alimentations +15 V et -15 V a sont point milieu relié à l'entrée - de la 2e moitié via une résistance de 1 MΩ pour le réglage d'offset.

Les alimentations +15 V et - 15 V sont fournies par un petit convertisseur alimenté avec le 5 V de l'USB. Les alimentations sont découplées chacune par 2 condensateurs et 2 résistances de 100 Ω.

Nota : Nous alimentons cette sonde avec la prise USB de l'oscilloscope (pratique) qui fournit 500 mA ce qui est amplement suffisant. Mais, à la mise sous tension, le courant d'appel du convertisseur et des capacités de découplage fait "disjoncter la prise" USB de l'oscilloscope. Pour éviter ce problème, nous avons ajouté une résistance de 1 ohm en série avec l'entrée 5V du convertisseur. La perte de tension (environ 0.1 V) dans la résistance est négligeable et le courant d'appel diminue et la prise USB de l'oscilloscope "accepte" le convertisseur et tout fonctionne normalement.

Réalisation du boitier : comme d'habitude, nous avons utilisé un profilé aluminium de fenêtre dans l'intérieur des coins duquel nous avons collé 8 entretoises M3. Nous avons découpé une face avant et arrière en aluminium fixée chacune par 4 vis Chc M3. Une face avant en plexi.

Comme dans notre analyseur audio gratuit 

En fait, la face avant est constituée du sandwich : Tôle aluminium, une feuille papier imprimée et une face avant plexi pour protéger.

Rappelons qu'il faut rajouter des liaisons de masse (vis M3 + cosses rondes +fil soudé) entre les faces avant et arrière et le boîtier pour garantir la liaison électrique.

Ce principe permet de réaliser des boîtiers économiques, solides et blindés en métal avec une face avant dont on peut facilement modifier les inscriptions.

Le boitier "terminé" mais il manque toute l'électronique et les inverseurs : (il nous manque encore quelques composants...)

Le circuit câblé en entier avec le convertisseur 5 V -> +-15 V (avec 2 résistances de 100 Ω et 2 condensateurs de 220 uF de filtrage) :

La face arrière est vide (à part les vis de fixation et la vis de mise à la masse). La face avant de bas en haut : 

• Embase USB C

• 2 embases BNC, 2 embases bananes noires

• Une Led Rouge témoin de marche et les 2 inverseurs double 1/10 1/100

• 2 embases bananes rouges. (Noires sur la photo)

On doit pouvoir fabriquer une double sonde comme celle-ci pour moins de 10 € (selon l'AOP utilisé).

Réglages :

 Il faut régler les ajustables Offset pour que chaque sortie soit à 0V.

Ensuite, pour chaque sonde, il faut injecter une tension sinus 50 Hz au moins 10V (avec le secondaire d'un transformateur par exemple) entre la fiche rouge et noire reliées ensemble et la masse du montage et retoucher les résistances de 3.9 kΩ pour avoir la tension sinus la plus faible possible en sortie. (Inverseur en position 1/100). Et refaire le réglage aux bornes de la 33 kΩ, inverseur en position 1/10).

Enfin, si on veut monter en fréquence, il faut injecter un signal carré le plus grand possible entre l'entrée + et la masse du schéma, régler le condensateur aux bornes des résistances de 3.9 kΩ (inverseur en position 1/100) pour avoir le carré le plus propre possible (bande passante plate et la plus étendue possible) en sortie. Et refaire le réglage aux bornes de la 33 kΩ, inverseur en position 1/10).

Et voilà !

Utilisation :

On connecte une ou les deux sondes avec les embases bananes noir (-) et rouge (+). Rappelons que l'on n'est pas obligé de relier les 2 embases noires au même potentiel.

On connecte une voie ou les deux de l'oscilloscope aux embases BNC, on règle les entrées de l'oscilloscope sur 1/100 et on visualise directement la différence de tension entre - et + sur chaque voie de l'oscilloscope du continu à 4 MHz (selon l'amplificateur opérationnel utilisé)

Le boitier fini : 

Mesures : 

Nous souhaitons mesurer les tensions sur une alimentation électrique à découpage de guirlande 230 V -> 30 V.

Nous avons branché le canal 1/100 gauche de notre sonde entre la "masse" du condensateur d'entrée (chargé à plus de 300 V) et la sortie du semi-conducteur reliée au primaire du transformateur HF. Ce genre de branchement est "impossible" à faire avec un oscilloscope normal.

Nous avons ensuite relié la 2e voie de l'oscilloscope avec une sonde classique 1/10 à la masse de la sortie et le secondaire du transformateur HF (ce genre de branchement ne pose pas de problème sur un oscilloscope).

Il reste à monter le convertisseur. Sur la photo, la sonde est alimentée par une alimentation +- 15 V indépendante. Et à câbler la voie de droite.

Voici les résultats sur notre oscilloscope :

En jaune, la tension d'entrée, vue avec notre sonde 1/100, dont la valeur RMS est de 308 V, la fréquence de découpage est de 38 kHz il y a de fortes oscillations à l'entrée qui dépassent 350 V. A noter que nous avons réglé notre oscilloscope pour une sonde 1/100 : les tensions indiquées sont correctes.

A la sortie, nous retrouvons la même forme de tension, beaucoup plus faible en amplitude, avec une valeur RMS De 13.3 V.

Mesurer la tension jaune est "impossible" avec un oscilloscope normal. Rappelons que relier la masse de l'oscilloscope à la borne du condensateur d'entrée (chargé à plus de 300 V, est à proscrire absolument, il en va de votre sécurité !

La même mesure avec l'alimentation chargé par une résistance de 100 Ω :

Certains amplificateurs opérationnels sont beaucoup plus rapides que le TL072 mais, malheureusement, doivent être alimentés en +- 5 V. Nous avons essayé d'alimenter le TL072 en 5 V. Son alimentation positive est fournie par la prise USB et l'alimentation négative par un ICL7660 qui transforme le +5 V en - 5 V en fournissant environ 20 mA.

Nous avons fait exactement la même mesure (sortie à vide) que la première : 

La sonde fonctionne mais les suroscillations mesurées sur le l'entrée du transfo sont légèrement tronquées (le tracé jaune en haut) : nous sommes légèrement au-delà de la limite de l'excursion de tension du TL072.

Les curseurs de l'oscilloscope indiquent que pour cette mesure, l'oscillation monte jusqu'à 456V (4.56 V en sortie d'amplificateur opérationnel, et un peu moins en négatif)

Conclusion : pour ce genre de mesure, alimenter la sonde en +-5 V (avec un ICL7660) est à la rigueur possible, à condition de choisir un amplificateur opérationnel "rail to rail" en sortie : la sortie doit pouvoir aller quasiment du +5 V au -5 V. (Ce qui n'est pas le cas avec le TL072, qui a environ 0.6 V de déchet positif, ce qui n'est pas si mal). Il faut aussi choisir un amplificateur opérationnel dont le bruit n'est pas trop important.

Evidemment, l'idéal serait de trouver un amplificateur opérationnel double rapide et faible bruit, alimenté en +-10 V (Ce qui pourrait nous faire +-9 V en sortie et donc +-900 V en entrée de sonde, (ce qui est à peu près conforme aux spécifications de sécurité d'entrée).

A vos tiroirs !

Les deux voies de la sonde en fonctionnement (mais provisoirement alimentées en +-5 V) :

Nous avons ensuite connecté notre sonde sur la sortie d'un onduleur ancien et de faible puissance (150 W) alimenté en 12 V : c'est le petit boitier noir avec l'ampèremètre en bas à gauche. Le 12 V est fourni par notre alimentation "maison" reliée à la prise allume-cigare de l'onduleur au premier plan.

Encore une fois, cette mesure qui serait "impossible" en sécurité avec une entrée d'oscilloscope ordinaire ne pose pas de problème avec notre sonde réglée à 1/100 et connectée directement sur la prise de sortie...

La sortie de l'onduleur ne produit pas vraiment un signal sinusoïdal mais la tension et la fréquence sont correctes :

That's All, folks !

Créé le 20/10/2023

A jour le 07/11/2023

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