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Electronique > Réalisations > Alimentations > Alimentation symétrique 010

Dernière mise à jour : 20/08/2023

Caractéristiques principales

Tension : +/-16,5 V
Courant : 4 A
Régulée : Oui

Présentation

Cette réalisation s'appuie sur de classiques régulateurs de tension intégrés associés à des transistors "ballast".

   
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Les régulateurs de tension intégrés sont de type LM317 et LM337 et les transistors de soutien sont des BDX53 (ou TIP41) et BDX54 (ou TIP42) qui permettent de débiter en sortie un courant plus élevé que celui permis par les régulateurs de tension seuls. Si vos besoins en courant se limitent à 1 A au maximum, je vous suggère de vous tourner vers l'alimentation proposée en page Alimentation symétrique 001.

Une variation de cette alimentation "de base" a vu le jour pour la remise en service d'une console de mixage (demande pro), le résultat en est l'alimentation symétrique 010bc dans laquelle a été ajoutée une protection contre les surintensités de courant.

   

Schéma

Le schéma qui suit représente l'alimentation dans sa totalité.
   
alim_sym_010
   
Abaissement tension

L'abaissement de la tension secteur est assuré par le transformateur TR1. Ce dernier doit produire une tension secondaire le plus proche possible de ce qui est nécessaire. Si cette alimentation est utilisée pour le besoin précisé, à savoir débitant un courant de sortie de 3,5 A sur les deux branches positive et négative, il est important de tenir compte des pertes, et le moindre volt "en trop" en entrée occasionne une dissipation de puissance supplémentaire de 3,5 W !

Dans le cas présent, il faudrait pour bien faire, disposer d'un transformateur délivrant deux tensions de 17 V. Comme cela ne court pas les rues, on choisi un transfo délivrant 2 x 18 V avec un débit maximal de courant de 4 A ou 5 A (modèle conseillé 90 VA, minimum 75 VA). Si votre transfo de 18 V délivre une tension plus élevée (à cause du transfo lui-même ou de la tension secteur qui est plus élevée chez vous), vous pouvez à la limite envisager le retrait de quelques spires des secondaires du transfo. Attention, c'est rarement difficile à enlever, mais c'est plus dur à remettre après...

Redressement et filtrage

La conversion de la tension alternative présente en sortie secondaire du transformateur en une tension redressée (pas encore continue car pas encore filtrée) est assurée par le pont de diodes D1 à D4. Ces diodes peuvent être des diodes de redressement quelconque du moment qu'elles soient en mesure de supporter un courant permanent de 10 A et des pointes de courant de 100 A. Vous pouvez utiliser quatre diodes séparées ou un pont de diodes moulé.

Les condensateurs de filtrages qui suivent (C1 et C4) ont en effet une forte valeur, et comme vous le savez peut-être déjà, un condensateur déchargé (alimentation éteinte depuis un moment) se comporte comme un court-circuit. Dans le cas qui nous concerne, le courant de pointe au démarrage (durée quelques ms) pourrait être de 80 A environ, mais il est en fait limité dans la pratique par la capacité réelle en courant de sortie du transformateur. Une limitation forcée (diminution) de ce courant d'appel pourrait être opérée en ajoutant une résistance de valeur faible (entre 0,1 ohm et 1 ohm) entre la sortie du pont de diodes et le condensateur de filtrage. Ce n'est pas fait ici car on considère que les diodes choisies tiennent bien le coup. La forte valeur donnée aux condensateurs de filtrage C1 et C4 est justifiée par les courants de sortie prévus (3,5 A) et par le souhait de conserver une ondulation résiduelle (tension alternative parasite) faible sur les tensions de sortie. Dans la pratique, C1 et C4 pourront être composés de plusieurs condensateurs de plus faible valeur, par exemple 5 condensateurs de 2200 uF ou 2 condensateurs de 4700 uF - vu la tolérance des condensateurs chimiques de forte valeur, il serait ridicule de chercher à obtenir une combinaison qui donne pile 10000 uF. Pour ma part, j'ai opté pour 2 x 2 condensateurs de 4700 uF.

Régulation de tension
Elle est assurée le plus simplement du monde par ces merveilleux composants à trois pattes que sont les LM317 (pour la régulation positive) et LM337 (pour la régulation négative). Les tensions de sorties dépendent de la valeur donnée aux résistances R2 et R3 pour la partie positive et de la valeur donnée aux résistances R6 et R7 pour la partie négative, et répondent aux formules simples suivantes :
+Vout (tension de sortie positive) = 1,25 * (1 + (R3 / R2))
-Vout (tension de sortie négative) = 1,25 * (1 + (R7 / R6))

Cette alimentation a été conçue pour délivrer des tensions symétriques de +/-16,5 V, mais il va (presque) de soi que l'on peut choisir d'autres valeurs de tension. Il suffit de modifier le rapport des valeurs des résistances R3/R2 et R7/R6. Pas besoin de faire vous-même les calculs, ils sont déjà faits et dispos à la page Alimentation simple 003.

Deux remarques :

- Si vous souhaitez des tensions de sortie de +/-5 V, ne gardez pas un transfo de 2x18 V en entrée...
- Si vous souhaitez disposer de tensions de sortie parfaitement ajustées, remplacez R3 et R7 par une résistance câblée en série avec un potentiomètre ajustable (par exemple 1 kO fixe + 1 kO ajustable) ou encore par un unique potentiomètre ajustable de 2,2 kO. Les potentiomètres ajustables doivent impérativement être de très bonne qualité (mais pas forcement multitours).

Fourniture en courant
Comme les petits bouts à trois pattes (régulateurs de tension) sont limités en courant de sortie à 1,5 A, des transistors de puissance sont ajoutés pour fournir le supplément. Le principe de fonctionnement de ce circuit "coup de pouce" est fort simple à comprendre. On met en parallèle sur le régulateur de chaque branche, un transistor qui n'est là que pour apporter du courant (il ne joue aucun rôle dans la régulation de la tension de sortie). Ce transistor ne conduit que si la tension entre sa base et son émetteur est suffisante, cette tension devant être de quelques dizièmes de volts. Et que trouve-t-on précisement entre base et émetteur de ces transistors ? Une résistance de faible valeur (10 ohms) qui est parcourue par le courant sortant (et donc aussi entrant) du régulateur de tension. Avec une valeur de résistance de 10 ohms, il suffit d'un courant de quelque 70 mA pour faire conduire le transistor, car :
U = RI
U = 10 * 0,07 = 0,7 V

Cela implique deux choses :

- le courant minimal requis en sortie est de 70 mA pour que le transistor commence à conduire
- le courant fourni par le régulateur lui-même sera toujours inférieur à 100 mA, tout le reste du courant demandé passe par le transistor.

Indication visuelle de la présence des tensions de sortie
C'est sans doute le morceau le plus difficile de cette réalisation. On utilise en effet deux LED, chacune avec une résistance série, et ces LED s'allument quand la tension de sortie est bien là. Oui, j'admet une certaine rudesse dans mes propos. Pourquoi donc des résistances en série avec les LED ? Allez, une petite piste... Plus sérieusement, ces LED jouent un rôle autre que celui d'émettre de la lumière : celui de consommer un courant minimal quand rien d'autre n'est branché en sortie d'alim (ce qui peut arriver). En procédant ainsi, on garantit un fonctionnement correct des régulateurs en toute circonstance.

Prototype

Circuit imprimé fabriqué selon implantation des composants visible plus loin.
   
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Remarques :

Dans un premier temps, j'ai vérifié le bon fonctionnement sans charge en sortie. Résultat des courses : +16,9 V et -16,9 V avec résistances de 120R 2% pour R2 et R6, et résistances de 1,5k 1% pour R3 et R7. Pour cette vérification préliminaire, j'ai utilisé un transformateur torique de puissance modérée 2x15 Vac 60 VA (2 A).

Pour les mesures en puissance, j'ai utilisé ma charge électronique Tenma. Voici les relevés pour un courant de sortie allant jusqu'à 4 A :
   
Courant de sortieSecondaire transfoTension filtréeTension de sortie V+Tension de sortie V-
0 A16,12 Vac21,65 Vdc+16,99 Vdc-16,82 Vdc
1 A15,88 Vac20,19 Vdc+16,98 Vdc-16,82 Vdc
2 A15,64 Vac19,12 Vdc+16,09 Vdc-16,12 Vdc
3 A15,42 Vac18,24 Vdc+14,98 Vdc-15,05 Vdc
4 A15,23 Vac17,5 Vdc+13,94 Vdc-14,01 Vdc
   
Les mauvais résultats observés pour un courant de sortie supérieur à 1 A résultent de l'emploi d'un transformateur non adapté ni en tension secondaire ni en courant maximal. En effet, je n'ai pas voulu brancher le transfo de 2x18 Vac / 150 VA prévu à l'origine, car ce dernier délivre en réalité 20 Vac sur chaque secondaire et la tension redressée et filtrée dépasserait les 25 Vdc. J'aime le risque, mais il y a des limites... C'est pourquoi je me suis contenté (dans un premier temps) du transformateur 2x15 Vac.

Pour la suite des tests, j'ai mis à contribution une alimentation de laboratoire réglée à 24 Vdc et limitée à 5 A, raccordée à l'entrée du pont de diodes, ce qui équivaut à une source de tension alternative de 17 Vac. Les résultats sont nettement plus probants, heureusement !

   
Courant de sortieSecondaire transfoTension filtréeTension de sortie V+Tension de sortie V-
0 A<equiv. 17 Vac>24,00 V+16,98 V-16,84 V
1,0 A<equiv. 17 Vac>23,40 V+16,98 V-16,84 V
2,0 A<equiv. 17 Vac>22,80 V+16,98 V-16,84 V
3,0 A<equiv. 17 Vac>22,50 V+16,98 V-16,84 V
4,0 A<equiv. 17 Vac>21,36 V+16,98 V-16,84 V
4,5 A<equiv. 17 Vac>19,00 V+16,10 V-16,08 V
   
La chute de tension excessive observée pour un courant débité de 4,5 A est principalement liée au cordons de liaison de trop faible section utilisés entre la sortie de l'alimentation de labo et l'entrée du pont de diode. Je suis convaincu que cette alimentation régulée peut soutenir sans problème les 4,5 A (et même sans doute 5 A) avec des cordons électriques adaptés (de plus forte section).

Remarques : 
- Je n'ai pas pu mener de tests de longue durée, car les transistors de puissance chauffaient beaucoup (dissipateurs thermiques de petite taille) et je n'avais pas le courage de sortir mon gros ventilateur spécial canicule.
- je n'ai pas réalisé de tests dynamiques mettant en oeuvre une charge qui fluctue brutalement pour mettre en relief le comportement de l'alimentation lors de ces brusques variations.
- je testerai à nouveau le tout avec le transfo 2X18Vac prévu au départ (en incluant les tests dynamiques), quand j'aurais remplacé les 4 gros condensateurs de filtrage par des modèles 30 V ou 35 V qui risquent moins d'exploser.

   
Tension qui chute trop en charge ?
Si vous constatez une chute de tension élevée sur les sorties régulées quand le courant de sortie atteint 4 A (chute supérieure à 100 mV par rapport à la tension lue à vide), vérifier les points suivants :

   

Circuit imprimé (PCB)

Réalisé en double face, dimensions 100x100 mm. 
   
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Un petit dissipateur thermique est prévu sur le circuit imprimé pour les deux régulateurs de tension intégrés (ils ne chaufferont pas beaucoup, car le plus gros du courant de sortie passe par les transistors). Les dissipateurs thermiques pour les transistors ballasts (plus gros) sont quant à eux externes au circuit imprimé. A noter que les transistors de puissance peuvent être montés soit verticalement soit horizontalement, selon le modèle de dissipateurs thermiques employés et la place disponible autour.

   

Historique

20/08/2023
- Ajout résultats de mesures finaux (avec source de tension adéquate).

13/08/2023
- Ajout photo prototype.
- Ajout possibilité de régler la tension des deux rails de sortie (réglage avec RV1 et RV2 non prévus au départ).

30/07/2023
- Réalisation dessin circuit imprimé.

07/11/2010
- Correction erreur formules pour calcul des tensions de sortie des LM317 et LM337.
Il était noté :
+Vout (tension de sortie positive) = 1,25 * (1 + (R2 / R3))
-Vout (tension de sortie négative) = 1,25 * (1 + (R6 / R7))
Les bonnes formules sont les suivantes :
+Vout (tension de sortie positive) = 1,25 * (1 + (R3 / R2))
-Vout (tension de sortie négative) = 1,25 * (1 + (R7 / R6))
Merci à Adnen de m'avoir signalé cette coquille.