ElectroCard – Fiche de lecture
LB-24 — A Versatile IC Preamplifier Makes a Thermocouple Amplifier with Cold-Junction Compensation
Un préamplificateur intégré polyvalent réalise un amplificateur pour thermocouple avec compensation de jonction froide
Auteur : Hooman Hashemi
National Semiconductor — Juin 1973
Pourquoi ce Linear Brief est important
Ce vingt-quatrième Linear Brief présente un amplificateur pour thermocouple dont la sortie est directement étalonnée à 10 mV/°C. Le montage associe un préamplificateur de précision LM321 historique, un amplificateur opérationnel LM308A et une référence de tension LM113.
Son originalité consiste à utiliser volontairement la dérive thermique du préamplificateur LM321 pour compenser les variations de température de la jonction de référence du thermocouple. Une caractéristique habituellement considérée comme un défaut devient ainsi une fonction utile du circuit.
Le thermocouple produit une tension proportionnelle à la différence de température entre la jonction de mesure et sa jonction de référence. Le LM321 historique fournit la correction liée à la température ambiante. Les deux contributions sont combinées et amplifiées afin d'obtenir une lecture directe de la température.
Ce que l'on y apprend
• principe de fonctionnement d'un thermocouple
• rôle du coefficient de Seebeck, exprimé en µV/°C
• nécessité d'une compensation de la jonction froide
• utilisation volontaire de la dérive d'un préamplificateur de précision
• association du LM321 historique avec le LM308A
• rôle de la référence de tension LM113 de 1,22 V
• adaptation du coefficient de Seebeck par R6 et R7
• réglage du courant et de l'offset du LM321 par R1, R2 et R3
• amplification de la tension par le réseau R4-R5
• obtention d'une sortie étalonnée à 10 mV/°C
• procédure d'étalonnage en quatre étapes
• importance du couplage thermique entre le LM321 et la jonction de référence
• réduction des erreurs thermoélectriques par des résistances adaptées
• limites dues à la non-linéarité naturelle du thermocouple
Les pépites techniques
• sensibilité typique des thermocouples : de 10 à 50 µV/°C
• thermocouple utilisé dans le schéma : Chromel-Alumel
• dérive recherchée du préamplificateur LM321 historique : environ 1 µV/°C
• sensibilité ramenée par R6 et R7 : 10 µV/°C
• facteur d'échelle final : 10 mV/°C
• R4 = 1 kΩ et R5 = 996 kΩ
• rapport R5/R4 = 996
• gain théorique du montage : ×997
• une variation de 1 µV à l'entrée produit théoriquement 997 µV en sortie, soit 0,997 mV, presque 1 mV
• une variation équivalente de 10 µV/°C produit 9,97 mV/°C en sortie, valeur arrondie à 10 mV/°C
• à 25 °C, l'étalonnage intermédiaire correspond à 298 K et à une sortie de 2,98 V
• après rétablissement de la LM113, la sortie directe à 25 °C doit être réglée à 250 mV
• suivi de la température ambiante par le LM321 avec une erreur inférieure à 0,03 °C par degré de variation
• auto-échauffement annoncé du LM321 : environ 2 °C, compensé lors de l'étalonnage
• contribution de la référence et des résistances : environ 0,02 °C/°C
• alimentations du montage : +15 V et −15 V
Comprendre simplement le gain ×997
Le nombre ×997 indique combien de fois le montage agrandit la très faible tension provenant de l'entrée.
Cela signifie qu'une variation de 1 µV à l'entrée produirait théoriquement :
1 µV × 997 = 997 µV
Soit 0,997 mV en sortie — presque 1 mV.
Avec la sensibilité équivalente de 10 µV/°C utilisée dans la LB24 :
10 µV/°C × 997 = 9,97 mV/°C
La publication arrondit donc le résultat à 10 mV/°C.
Les calculateurs ElectroCard réalisés
• Calculateur du gain selon R4 et R5.
• Présentation du résultat sous la forme claire « gain ×997 ».
• Exemple automatique de la sortie obtenue pour une variation d'entrée de 1 µV.
• Calcul de la sensibilité de sortie à partir d'une sensibilité d'entrée exprimée en µV/°C.
• Conversion automatique entre µV, mV et V.
• Calcul de la tension d'étalonnage selon la température ambiante en kelvins.
• Calcul de la sortie directe selon la température en degrés Celsius.
• Gestion des unités Ω, kΩ et MΩ.
Applications décrites
• Amplificateur de thermocouple.
• Compensation analogique de la jonction froide.
• Mesure de température avec un thermocouple Chromel-Alumel.
• Conversion d'une tension de quelques microvolts en une tension facilement mesurable.
• Sortie directement étalonnée à 10 mV/°C.
• Instrumentation analogique à faible dérive.
Procédure d'étalonnage résumée
• Remplacer temporairement le thermocouple par un court-circuit en fil de cuivre.
• Court-circuiter la sortie de la référence LM113 à la masse.
• Régler l'offset à 10 mV/K : à 25 °C, soit 298 K, régler la sortie à 2,98 V.
• Retirer le court-circuit de la LM113.
• Régler R9 pour obtenir la lecture directe en degrés Celsius : à 25 °C, régler la sortie à 250 mV.
• Reconnecter le thermocouple.
Points de vigilance ElectroCard
• Le LM321 employé dans la LB24 est un préamplificateur de précision historique de National Semiconductor en boîtier à huit broches.
• Il ne faut pas le confondre avec le LM321 moderne de Texas Instruments, amplificateur opérationnel simple apparenté à la famille LM324 et généralement proposé en petit boîtier.
• Malgré leur numéro identique, ces deux LM321 n'ont ni la même fonction ni le même brochage.
• Le TLV9301 proposé par Texas Instruments est un remplacement du LM321 moderne uniquement ; il ne remplace pas directement le préamplificateur historique de la LB24.
• Le LM308A et le LM113 sont également des composants historiques. Une reproduction moderne exige une nouvelle étude du circuit.
• R6 et R7 doivent être adaptées au coefficient de Seebeck du type de thermocouple utilisé.
• Les résistances R4, R6 et R7 doivent présenter une excellente stabilité et de faibles effets thermoélectriques.
• Le montage doit être placé dans un boîtier fermé afin de réduire les courants d'air et les gradients thermiques.
• La jonction de référence du thermocouple doit être placée au plus près du LM321 pour assurer un bon couplage thermique.
• Les jonctions entre métaux différents peuvent créer des tensions thermoélectriques parasites du même ordre que le signal mesuré.
• Le montage ne corrige pas la non-linéarité naturelle du thermocouple sur une large plage de température.
• Le gain ×997 est une valeur théorique calculée avec R4 = 1 kΩ et R5 = 996 kΩ. Les tolérances réelles modifient légèrement le résultat.
• Les calculateurs associés appliquent les équations idéales de la note et ne remplacent pas une validation expérimentale.
Intérêt historique
Publiée en juin 1973, la LB24 illustre une approche très caractéristique de l'électronique analogique de cette époque : exploiter directement les propriétés physiques et les imperfections maîtrisées des composants pour réaliser une fonction de mesure complète.
La dérive thermique du LM321 historique est ici mise au service de la compensation de jonction froide. Cette solution évite l'emploi d'un capteur de température séparé et transforme une faiblesse apparente du composant en mécanisme de correction.
Le principe reste pédagogiquement remarquable. Une réalisation moderne utiliserait toutefois généralement un amplificateur à très faible offset, un capteur dédié placé près de la jonction froide, puis une compensation et une linéarisation numériques.