charge Pump ou pompe de charge

[RomainM]

Bonjour,

Bon j'ai beau essayer de chercher, j'arrive pas à comprendre ce qu'est une charge Pump ou pompe de charge, je pense avoir compris que ça sert pour la sécurité ... enfin je crois. Bref, s'il y a quelqu'un qui est à l'aise avec ce sujet, je suis preneur d'une explication.

Je vous remercie

 

[Barbidou]

Bonjour,

On trouve des pompes de charges dans 2 domaines assez différents... L'électronique, et la plomberie.

Ta question permet difficilement de trancher entre les deux. C'est donc difficile d'y répondre.

Celà dit, je ne pense pas que la pompe de charge utilisée en plomberie se traduise par "charg pump" en anglais (mais mon niveau d'anglais étant particulièrement douteux, je ne suis sûr de rien ).

En plomberie, si j'ai bien compris, la pompe de charge est une pompe qui assure la circulation d'eau dans le circuit primaire d'un chauffage en garantissant un débit minimal pour éviter que l'eau dans l'échangeur de la chaudière n'entre en ébullition. Mais la plomberie n'étant pas vraiment mon domaine, je ne m'étendrais pas sur la question. Les connaisseurs n'hésiteront pas corriger les conneries que je raconte...

Pour l'électronique, je maîtrise un peu mieux.
En électronique, une pompe de charge est simplement une méthode astucieuse qui permet de convertir une tension en une autre en utilisant des condensateurs que l'on charge et décharge les uns dans les autres à l'aide d'interrupteurs commandés (en général des transistors) ou des diodes. En organisant correctement les condensateurs et les diodes, on peut avoir des doubleurs, tripleurs ou quadrupleurs de tension ou même une inversion de tension. Par exemple, avec une entrée du montage en 5V, on peut obtenir en sortie du 10V, 15V, 20V ou -5V.
Le montage est très simple mais comporte quelques inconvénients : puissance de sortie généralement faible, tensions de sortie non régulées et rendement moyens. Malgré tout, c'est très utilisé car cela permet d'obtenir de tensions négatives ou supérieures à la tension d'alimentation à peu de frais.
Comme application typique, on a la production de +10V et -10V à partir d'une alimentation 5V ou 3,3V pour les interfaces RS232 (la norme demande +12V/12V). avec un petit circuit intégré et 4 condensateurs on obtient les tensions nécessaires pour un coût dérisoire.
Une autre application typique, que l'on trouve dans les cartes drivers des moteurs, est la production de tension de commande de transistors MOS. Dans les étages de puissance des drivers, on utilise généralement des MOS N car ce sont les plus performants. Le hic, c'est que ces transistors nécessitent une tension de commande supérieure à la tension d'alimentation pour être commandés correctement. Une pompe de charge intégrée au driver permet de produire cette tension avec juste un condensateur (condensateur de boost) et une diode (souvent intégrée au driver). On retrouve la même chose dans les alimentations à découpage qui ont la même problématique.

Le principe de fonctionnement est simple. Par exemple, le doubleur :
on part du schéma suivant :

Durant une première phase, les interrupteurs A sont fermés et les interrupteurs B sont ouverts. Le condensateur C1 se trouve relié à l'alimentation et se charge à 5V :

Dans une seconde phase, les interrupteurs A sont ouverts et les interrupteurs B sont fermés. Le condensateur C1 précédemment chargé à 5V se retrouve en série avec l'alimentation. Le tout forme donc une alimentation 5+5=10V qui est relié au condensateur C2 qui se charge alors à 10V :

Le cycle est reproduit continuellement, le condensateur C1 se comporte alors comme un seau qui permet de transférer la charge à chaque cycle de pompage, d'où le nom de pompe de charge.
Le tour est joué, on a bien fait du 10V à partir d'une alimentation 5V.
Bien sûr, il faut plusieurs cycles pour que C2 atteigne la valeur désirée, et il y a des pertes qui font que la tension de sortie n'atteindra jamais les 10V promis. Il faut aussi que la pompe "débite" suffisamment pour alimenter le circuit qui consommera le 10V produit (sinon, la tension de sortie s'effondre).
Enfin, dans la pratique, ce ne sont généralement pas 4 interrupteurs mais de simples diodes, et l'alimentation est remplacée par une tension modulée en carré. On arrive alors à faire un doubleur avec 2 condensateurs, un oscillateur et 1 diode. Mais le principe est toujours le même.
En changeant la position des interrupteurs et condensateurs, on arrive à faire toutes sortes de doubleurs, tripleurs, inverseurs, quadrupleurs etc...

Pour finir, ce principe sert dans tellement de circuit qu'il est impossible d'être exhaustif et ma réponse reste très générale. Pour des explications plus précises, il faudrait connaitre l'application... (ça se trouve, c'est de la plomberie ! )

 

[RomainM]

hihihi, effectivement en plomberie, j'en ai une, que d’ailleurs j'appelle le circulateur ! Donc effectivement ma question portait plus sur domaine de l’électronique. Merci sur tes précisions et explication du fonctionnement générale des pompes de charge. Cependant mes interrogations se situaient plus sur le plan de son utilisation en CNC. Si tu as 2 ou 3 précisions...

En tout merci!

Romain

 

[Barbidou]

Si tu as 2 ou 3 précisions...

Si tu as 2 ou 3 exemples où tu as rencontré des pompes de charges...

Je veux bien entrer un peu plus dans les détails (tant que ça reste dans mes cordes), mais il y a tellement d'application possible à ce truc que je ne vois pas bien sur quoi donner des précisions...

 

[Barbidou]

Intrigué par tes histoires de sécurité, car je ne voyais pas bien dans quel système de sécurité d'une CNC on pouvait utiliser une pompe de charge, j'ai fait une petite recherche et je pense avoir compris de quelle pompe de charge tu parles.

Tu dois parler de la sortie pompe de charge que l'on trouve sur les cartes d’isolations (breakout board) du port parallèle (sortie n°17), et pour laquelle on trouve un réglage dans les logiciels (genre Mach3 ou LinuxCNC).

Dans cette fonction, la pompe de charge a la même configuration que le doubleur de tension : quand le signal de la sortie n°17 est active, elle sort un signal carré à une fréquence de quelques kHz. La pompe de charge se met donc à pomper (comme les shadocks) et sa sortie vaut environ 2 fois la tension sur le port parallèle (2x5=10V). Cela permet d'activer un transistor qui va autoriser toutes les sorties de la carte, en particulier les sorties "Enable" vers les drivers moteurs la CNC est alors libre de commander ses moteurs.

Quand le signal s'arrête de bouger, la pompe de charge s'arrête et sa sortie tombe alors à 0V. Le transistor se bloque et coupe les sorties, notamment la sortie "Enable". Toute la machine est alors en sécurité.

Mais pourquoi un système aussi tordu pour commander le signal "Enable"? On pourrait commander ce signal directement avec la sortie n°17 comme pour les autres sortie? C'est simplement parce que si le programme se plante en plein milieu d'un usinage (et donc avec la commande "Enable" activée), il n'a plus la main sur la sortie Enable. Il ne peut donc pas couper cette sortie alors que le plantage du programme implique une machine hors de contrôle qu'il serait bon d'arrêter.
En utilisant la pompe de charge, lorsque le programme plante, il ne passe plus par les instructions qui génèrent le signal carré. Le signal carré s'arrête donc, et peu importe l'état de ce signal au moment du plantage, l'arrêt d'activité du programme se traduira par une retombée du signal "Enable" et par la coupure des actionneurs. La même idée est très utilisée dans les systèmes à micro-contrôleurs sous le nom de watchdog. On le trouve aussi dans les trains, c'est la sécurité "homme mort"...

Apparemment, la plupart des cartes breakout permettent les deux modes de fonctionnement : commande directe et commande via pompe de charge. Si ta carte de breakout comporte l'option pompe de charge et que ton logiciel le gère, ce n'est pas forcément idiot de l'utiliser.

 

[RomainM]

Bonsoir,

Merci beaucoup pour tes explications concises et précises. Si j'ai bien compris, c'est pour arrêter la machine alors que le Programme a planté. Je me demande juste dans quel type de plantage, on a la machine qui fonctionne toute seule alors que le PC n'envoie plus les ordres de déplacement par exemple?

En tout cas merci !

Bonne soirée

 

[Barbidou]

En fait, le programme qui gère les moteurs est généralement constitué de plusieurs boucles imbriquées.
Par exemple et assez schématiquement (ça dépend du programme), celle de plus bas niveau gère les impulsions de commande vers les moteurs, celle du niveau du dessus gère les vitesses et commandes de déplacement etc... La dernière étant celle qui interprète le gcode.
Chacune de ces boucle peut-être programmée en interruption. C'est à dire qu'un compteur va lancer la routine qui correspond à la boucle de façon cyclique (par exemple toute les millisecondes). Plus le niveau de la boucle est bas, plus court est le temps de cycle.
Par exemple, une commande gcode demande un déplacement en cercle, celle commande est interprétée par un premier niveau qui la décompose en petit segments de droite (des vecteurs) et transmet chaque segment au niveau suivant. Le niveau suivant traduit chaque petit vecteur en une vitesse répartis sur chaque axe et transmet ça au niveau suivant qui génère les impulsions pour les moteurs.
Si l'avant dernière boucle qui envoie les infos vitesse à la boucle de génération des impulsions moteurs plante, la dernière boucle continue de générer ses impulsions, mais n'est plus sous contrôle. Les impulsion vont alors continuer à être envoyée et les moteurs vont continuer à tourner... Jusqu'à l'intervention manuelle ou la catastrophe.
Si le gars qui écrit le programme fait sont boulot correctement, il fait en sorte que l'ensemble des boucles de contrôle soit nécessaire à la génération des impulsions sur la broche de pompe de charge. Le programme doit être conçu pour que tout plantage d'une des boucles entraîne l'arrêt des impulsions. L'application de quelques règles de programmations permet d'assurer ce fonctionnement. Ainsi, toute perte de contrôle est évitée.
Tout ceci est très schématique, et les programmes de gestion des CNC sont beaucoup plus complexes que ça (gestion des accélérations combinées sur tous les axes, interpolations diverses et variées etc...), mais cela donne une vue approximative sur la manière dont cela fonctionne...