Electronique > Réalisations > Alimentations > Alimentation ajustable 001

Dernière mise à jour : 20/11/2011

Caractéristiques principales

Tension : +1.3 V à +28 V
Courant : 3 A (ou 5 A)
Régulée : Oui

Présentation

Cette alimentation est une alimentation ajustable, ce qui signifie que vous pouvez régler la tension de sortie à la valeur désirée, dans une plage comprise entre 1,3 V et 28 V.

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Le courant de sortie maximal est de 3 A, qui correspond au courant maximal que peut fournir le régulateur de tension intégré LM350 utilisé ici. Moyennant le remplacement de ce régulateur par un modèle plus costaud (LM338), il est possible de porter le courant de sortie à un maximum de 5 A.

Avertissement

Le courant maximal réellement disponible en sortie de l'alimentation dépend de la valeur de la tension d'entrée et de la tension de sortie. Avec le LM350 et les transformateurs d'alimentation préconisés ici (sortie secondaire 12 V au minimum), il n'est pas possible d'obtenir 3 A si la tension de sortie est réglée à 1,3 V. Le courant de sortie peut atteindre 3 A si la tension de sortie est d'au moins 5 V. Par contre on peut disposer d'une tension de sortie de 1,3 V sous 3 A si le régulateur utilisé est le LM338. Explications et exemples pratiques (chiffres) dans le texte.

Schéma

Le schéma suivant représente l'alimentation dans sa presque totalité, seul le transformateur n'est pas montré (on le verra plus loin).

Alim ajust 001

Le coeur du montage est un régulateur de tension intégré de type LM350, qui est une version gonflée du LM317, régulateur de tension intégré un peu plus commun car utilisé plus souvent dans les alimentations régulées. Le LM350 autorise un courant de sortie maximal de 3 A alors que le LM338 autorise un courant de sortie maximal de 5 A. La différence de prix entre les deux est tellement minime (inexistante chez certains revendeurs) que je vous conseille d'utiliser le LM338.

Abaissement de la tension secteur
Nous somme ici en présence d'une alimentation secteur de type linéaire et non à découpage, l'abaissement de la tension secteur se fait grâce à un transformateur de type 230 V / 24 V.

Alim ajust 001a

Vous pouvez opter pour un modèle à deux enroulements secondaires, à un seul enroulement secondaire avec prise intermédiaire (cas du schéma présenté) ou à un seul enroulement secondaire sans prise intermédiaire. Selon le modèle de transformateur choisi, vous devrez adopter le câblage qui va bien, selon les indications données à la page Alimentations secteur.

Redressement et filtrage
Le redressement des deux alternances de la tension alternative issue du ou des secondaires du transformateur est assuré par deux ou quatre diodes de redressement. Sur le schéma proposé, il est fait usage de deux diodes puisque le transfo utilisé ici est de type secondaire simple avec prise intermédiaire. Les deux diodes sont contenues dans un même boitier de type TO220 que l'on peut monter sur un radiateur.
Le filtrage est confié au gros condensateur chimique C1 de 6800 uF ou 10000 uF / 63 V. Pour des questions d'encombrement et pour une résistance interne dynamique plus faible, vous pouvez aussi utiliser trois ou quatre condensateurs de 2200 uF / 63 V chacun, montés en parallèle (c'est le choix adopté pour le circuit imprimé proposé). Si le taux d'ondulation résiduel (*) demandé en sortie doit être très faible, vous pouvez augmenter la valeur de C1 (par exemple 4 condensateurs de 3300 uF voire 4700 uF). En règle générale on adopte une valeur comprise entre 1000 uF et 2000 uF par ampère, qui garantit une ondulation résiduelle convenable (assez faible) en sortie. Quatre fois 2200 uF pour un courant max de 5 A semble donc une valeur bien dimensionée. Il faut dire que cette méthode de "calcul sauvage" n'est pas aussi exigeante pour une alimentation avec régulateur de tension, mais c'est facile à retenir et cela fonctionne.
(*) Taux d'ondulation résiduel : représente la quantité de signal alternatif qui subsiste sur la sortie principale, qui en théorie devrait être parfaitement continue. Si par exemple on mesure (avec un oscilloscope) une composante alternative d'amplitude 50 mV superposée à une tension de sortie de 5 V, l'ondulation résiduelle est alors de 1%. Le taux d'ondulation résiduel n'a pas forcement besoin d'être très bas, cela dépend des montages qu'on souhaite alimenter. Avec certains montages "critiques", un taux trop élevé de résiduelle alternative peut conduire à un mauvais fonctionnement. A noter que la résiduelle alternative n'est pas le seul critère de qualité d'une alimentation secteur, il en existe d'autres telle que sa capacité à réagir rapidement à de brusques variations de charge (de courant consommé en sortie). Mais ceci est une autre histoire qui mérite un article à part entière.

Courant maximal et Puissance dissipée maximale
Il faut être prudent quand on parle de courant maximal et de puissance dissipée maximale, surtout pour une alimentation réglable. C'est la première des deux valeurs (puissance dissipée ou courant) qui atteint son maximum qu'il faut prendre en compte. La puissance dissipée en chaleur par le régulateur intégré, correspond au produit de la différence de tension qui règne entre son entrée et sa sortie (Vs-Ve) par le courant qui le traverse. La tension présente à l'entrée du régulateur est ici fixe et voisine de 32 V. Si la tension de sortie est réglée à 18 V, la différence de tension entre entrée et sortie du régulateur est alors de 14 V (32 V - 18 V). Si le courant demandé en sortie est de 100 mA, la dissipation de puissance du régulateur est de 1,4 W (14 V x 0,1 A). Cette dissipation de puissance est tout à fait gérable avec un radiateur de dimensions modestes. Si maintenant la tension de sortie est réglée à 2 V, la différence de tension entre entrée et sortie du régulateur est alors de 30 V (32 V - 2 V). Si le courant demandé en sortie est de 3 A, la dissipation de puissance du régulateur est théoriquement de 90 W (30 V x 3 A). Cette valeur de dissipation est énorme, et il faudrait un sacré radiateur pour en venir à bout si on ne veut pas que le régulateur se bloque par protection contre surchauffe au bout de quelques secondes. En réalité, le régulateur LM350 est doté d'une protection thermique, qui empêche l'utilisation du régulateur sous son courant max de 3 A avec une telle différence de tension entre entrée et sortie. Sa puissance dissipée maximale est de 25 W si boîtier TO220 ou de 30 W si boîtier TO3. Pour le LM338, la puissance max est de 25 W si boîtier TO220 ou de 50 W si boîtier TO3. Il s'agit donc là d'une limitation : cette alimentation ne peut pas fournir 3 A avec un LM350 si la tension de sortie est de 2 V et si la tension d'entrée est de 32 V. Mais elle peut pournir 3 A avec une tension de sortie de 24 V, toujours pour une tension d'entrée de 32 V. Voici un petit tableau qui récapitule la situation pour les LM350 et LM338 si la tension d'entrée est de 32 V et que le régulateur choisi est en boîtier TO3.

Tension de sortie
(Tension d'entrée = 32 V)
Courant max avec LM350
(Puissance dissipée < 30 W)
Courant max avec LM338
(Puissance dissipée < 50 W)
2 V 1 A 1 A
5 V 1,1 A 1,8 A
9 V 1,3 A 2,1 A
12 V 1,5 A 2,5 A
15 V 1,7 A 2,9 A
18 V 2,1 A 3,5 A
24 V 3 A 5 A
28 V 3 A 5 A

Comme on peut le constater, le courant max de 3 A (pour LM350) ou de 5 A (pour LM338) annoncé en introduction n'est pas vrai (pas possible) pour toutes les combinaisons tension d'entrée / tension de sortie. Le problème est évident quand on souhaite une tension de sortie faible alors que la tension d'entrée est élevée... ce qui pose un sérieux problème pour une alim de labo que l'on veut ajustable !

Comment augmenter le courant disponible en sortie pour les tensions les plus faibles ?
Simplement en diminuant la tension à l'entrée du régulateur, pour diminuer la différence de tension entre son entrée et sa sortie. Car en ce qui concerne les LM350 et LM338, la dissipation thermique garantie de 30 W ou 50 W max (boîtier TO3) ne vaut que si le différentiel entre tension d'entrée et tension de sortie ne dépasse pas 15 V. Oui, mais comment faire ? Une solution consiste à utiliser un transformateur non pas de 2 x 24 V, mais de 2 x 12 V, et ne mettre en service que la moitié du secondaire pour les tensions faibles, ou la totalité du secondaire en service pour les tensions plus élevées. Voici un schéma montrant cette façon de faire :

Alim ajust 001b

L'interrupteur SW1, qui permet de mettre hors ou en service le deuxième enroulement du transformateur, doit être un modèle capable de supporter 10 A en continu. En position basse, on dispose d'une tension alternative de 12 V efficace, alors qu'en position haute on dispose d'une tension alternative de 24 V efficace. Attention, il est vivement conseillé de ne pas manipuler cet interrupteur en charge, c'est à dire quand un montage est relié à la sortie de l'alimentation. En procédant de la sorte, nous disposons d'une tension "basse" de 15 V environ qui nous permet de tirer plus de courant en sortie du régulateur, même pour une tension de sortie faible, comme en atteste le nouveau tableau qui suit.

Tension de sortie
(Tension d'entrée = 15 V)
Courant max avec LM350
(Puissance dissipée < 30 W)
Courant max avec LM338
(Puissance dissipée < 50 W)
1,3 V 2,1 A 3,6 A
2 V 2,3 A 3,8 A
3 V 2,5 A 4,1 A
4 V 2,7 A 4,5 A
5 V 3 A 5 A
9 V 3 A 5 A
12 V 3 A 5 A
> 12 V (Nota 1) (Nota 1)
Nota 1 : impossible puisque le différentiel Vs-Ve est inférieur aux 3 V minimum requis.

Si vous décidez de suivre cette philosophie de montage avec transfo 2 x 12 V et interrupteur (ce que je vous conseille), prenez l'habitude de placer ce dernier en position basse avant de mettre l'alimentation en route. Cela permet de limiter l'appel de courant dans les diodes de redressement et dans le condensateur de filtrage principal, ce qui ne peut que leur faire du bien. Notez que les deux diodes d'origine ont été remplacées par un pont de quatre diodes, puisque l'on a affaire maintenant à un transformateur avec secondaire unique (tout du moins vu des diodes), et que le câblage des connecteurs assurant la liaison entre secondaire transfo et diodes n'est plus le même.

Voyant de contrôle
Il n'est pas facile de mettre une simple led avec sa résistance série de limitation de courant pour visualiser la présence d'une tension en sortie. La valeur de la résistance de limitation de courant doit en effet être calculée en fonction de la tension d'alimentation qui dans le cas présent, est variable. Mettre une led avant le régulateur de tension ? Oui, pourquoi pas. Mais dans ce cas, on ne visualisera pas un problème éventuel en sortie en cas de surchauffe ou de court-circuit. La solution ? Un générateur de courant constant réalisé avec un transistor à effet de champs (FET) dont les broches Gate et Source sont reliées ensemble. La led s'allume moins en dessous de 5 V, mais on fera avec. Cette solution est discutée sur la page Alimentation d'une led.

Brochage des composants de puissance

Les régulateurs LM350 et LM338 ont un brochage identique, le remplacement de l'un par l'autre ne pose donc aucun problème. 

LM338

Pour les diodes de puissance 30CTH02 : la borne centrale CC (broche 2 du boitier TO220) représente le point commun des deux diodes (cathodes communes). A1 correspond à l'anode de la première diode, et A2 correspond à l'anode de la seconde diode.

30CTH02

Précautions à prendre

Le courant que peut débiter cette alimentation n'est pas négligeable, surtout si vous optez pour la version 5 A. Il est donc primordial que toutes les liaisons électriques soient d'excellente qualité et de forte section. Gros câble de rigueur donc, et soudure en quantité sur le circuit imprimé si vous décidez d'en faire un. Une mauvaise soudure causera des problèmes très rapidement, alors soyez très soigneux.

Circuit imprimé

Réalisé en simple face avec un strap et tant qu'à faire avec aussi une plaque pour poser les composants.

alim_ajust_001_pcb_composants
Typon du 20/11/2011

Remarques

Typon aux formats PDF, EPS et Bitmap 600 dpi

Historique

20/11/2011
- Nouveau dessin du circuit imprimé, le précédent était un peu limite en dimensions pour les condensateurs principaux de filtrage (C1A à C1D). Il est désormais possible de caler des chimiques standard axiaux de 2200 uF / 40 V ou 63 V sans les faire se superposer. J'en ai profité pour ajouter un trou de fixation dans le coin supérieur droit du circuit.
- Correction erreur mineure sur valeur du gros condensateur de filtrage C1. J'avais sur le schéma initial indiqué une valeur de 68000 uF (68 mF) au lieu de 6800 uF / 10000 uF (6,8 mF / 10 mF), vrai que c'était un peu gros...
28/08/2011
- Ajout de précisions concernant la puissance max dissipable par les LM350 et LM338 et les limites posées au niveau courant de sortie max quand le différentiel Vs-Ve est élevé.
- Modification des exemples pratiques courant de sortie max / tension de sortie. Les anciennes valeurs étaient données pour des régulateurs en boîtiers TO220 (puissance max 25 W), les nouvelles valeurs sont données pour des régulateurs en boîtier TO3 (30 W pour LM350 et 50 W pour LM338).
- Ajout dessin circuit imprimé.