Electronique > Réalisations > Alimentations > Alimentation ajustable 001c
Dernière mise à jour : 16/07/2023Caractéristiques principales
Tension : +1.3 V à +24 VCourant : 3 A (5 A max)
Régulée : Oui
Présentation
Cette alimentation ajustable permet de disposer d'une tension continue ajustable entre 1,3 V et 24 V, à partir d'une très basse tension alternative ou continue de quelques volts à 30 V maximum. La régulation est de type linéaire.
Ce bloc d'alimentation ajustable a été conçu pour compléter une alimentation à découpage de laboratoire très (trop) économique dont la tension de sortie souffre d'un niveau de bruit très élevé - presque 300 mV crête à crête ! J'ai tout de même prévu une double diode de redressement à l'entrée pour permettre à une source de tension alternative (secondaire transfo avec point milieu) de se trouver utile.
Question de (bruit de) fond...
Pourquoi donc utiliser une alimentation à découpage de labo "pas propre" avec à sa suite un "nettoyeur", et non pas seulement ce deuxième morceau de technologie linéaire associé à un simple transformateur d'alimentation ? Ceci pour deux raisons :
1 - l'alimentation à découpage de labo en question ne délivre pas une tension très propre certes, mais cette tension est ajustable, ce qui permet de réduire considérablement la dissipation thermique globale2 - cette même alimentation de labo dispose d'un réglage de limitation d'intensité de courant ajustable de 200 mA à 5 A, ce que ne possède pas le régulateur linéaire qui fait suite.
La combinaison des deux éléments (alim labo à découpage et régulateur linéaire additionnel) prend un peu plus de place il est vrai, mais il permet de bénéficier d'une tension continue très propre (amplitude de bruit résiduel inférieur à 1 mV), avec en plus une fonction de limitation d'intensité de courant. Enoncé de la sorte, cela me convient bien.
Remarque : on peut aussi utiliser un régulateur linéaire à très faible tension de déchet (LDO, Low Drop Out) en aval de la pré-régulation à découpage. Cela peut conduire à un système fort sympatique cumulant haute qualité de la tension de sortie et haut rendement, tout en coûtant moins cher qu'une alimentation à découpage de très haute qualité.
Le mot du sage : le top du top serait de pouvoir réunir le tout dans un seul et même boîtier. La difficulté n'est pas électrique, elle est d'ordre mécanique. L'inconvénient avec ma méthode, c'est qu'elle impose une visualisation de la tension en même temps à l'entrée et à la sortie du régulateur linéaire. L'idéal serait de prévoir un asservissement de la prérégulation à découpage sur la tension désirée en sortie du régulateur linéaire. Mais bien sûr que c'est possible !!!
Schéma
Le schéma suivant représente le système de régulation de tension linéaire dans sa totalité, hormis l'éventuel transformateur requis pour une entrée en tension alternative. C'est un montage très classique.
Le coeur du système est un régulateur de tension intégré de type LM338, version survitaminée du célèbre régulateur LM317. L'intensité maximale du courant de sortie est de 5 A en régime permanent, valeur possible uniquement si la tension d'entrée n'est pas supérieure de plus de 3 V à la tension de sortie désirée (minimum requis pour un bon fonctionnement du régulateur), si le régulateur de tension doté de son dissipateur thermique est correctement refroidi et si on accepte une très légère remontée du bruit de fond. Même avec une tension différentielle de "seulement" 3 V et un courant de sortie de 5 A, cela nous donne tout de même une dissipation de 15 W, ce qui est loin d'être négligeable ! Heureusement que pour la très grande majorité de mes applications, je n'ai pas besoin d'une telle intensité de courant (en tout cas pas de manière soutenue).
Diodes d'entrée et condensateur(s) de filtrage
La double diode D1 permet d'utiliser le bloc de régulation avec une tension continue ou alternative. Les références 30CTH02 ou MBR20100 conviennent, j'ai utilisé la seconde.
- avec une source de tension continue, une seule diode doit être utilisée. On entre sur le connecteur J1, au choix entre les broches 2 et 1 ou entre les broches 2 et 3 (0 V de référence sur la broche 2). Cette diode apporte une chute (perte) de tension non nulle (environ 0,7 V sous 5 A), mais offre une sécurité contre toute inversion accidentelle de la polarité de la tension d'entrée.
- avec une source de tension alternative unique (issue d'un enroulement secondaire de transformateur simple), une seule diode doit être utilisée. On entre donc sur le connecteur J1, au choix entre les broches 2 et 1 ou entre les broches 2 et 3 (la polarité importe peu, puisqu'ici on est en alternatif). A noter toutefois que dans cette configuration, le redressement se fait en mono-alternance et que le résidu de composante alternative est forcément plus élevé sur la tension appliquée à l'entrée du régulateur. Ce point n'a pas d'importance si le courant de sortie demandé n'excède pas 1 A.
- avec une source de tension alternative double (issue d'un double enroulement secondaire de transformateur ou d'un seul enroulement avec prise médiane), les deux diodes incluses dans D1 sont mises à contribution. On entre toujours sur le connecteur J1, avec point milieu sur broche 2 et les deux sources alternatives "opposées" sur les broches 1 et 3.
Le filtrage principal (avant régulation) est assuré uniquement par le condensateur C1 dans le cas où la tension d'entrée est continue. Si une tension d'entrée alternative est utilisée, alors une partie ou la totalité des quatre condensateurs C1A à C1D doivent être mis en service avec les cavaliers JP1 à JP4. Notons que si tous les gros condensateurs de filtrage sont en service, alors l'appel de courant au démarrage (quand on applique la tension d'entrée) risque d'être très élevé (largement supérieur à 10 A). Pour cette raison, il est inutile de brancher tous les condensateurs de manière systématique et il vaut mieux se contenter du "nécessaire et suffisant", à savoir1000 uF à 2000 uF par tranche d'un ampère, si la tension d'entrée est alternative. Si la tension d'entrée est continue, le premier condensateur de 1000 uF suffira... à moins que la charge connectée en sortie présente de très forts appels de courant de manière intermittente et que le filtrage en amont du circuit de régulation (avant la double diode) est insuffisant. En bref, à adapter en fonction de la situation.
Voyant de contrôle
Il n'est pas simple de câbler une simple LED avec sa résistance série de limitation de courant pour visualiser la présence d'une tension de sortie dont la valeur peut varier dans de grandes proportions, puisque la valeur de la résistance en série avec la LED doit être calculée en fonction de la tension. En fait, il n'existe à ma connaissance que deux possibilités simples :- soit
on utilise une LED à très haute luminosité (500 mcd ou plus) et on
calcule la valeur de la résistance série pour coller avec la tension de
sortie la plus élevée. Si par exemple la LED est un modèle 2 V / 20 mA
et que la tension de sortie maximale est de 24 V, alors la résistance
devra avoir une valeur R égale à (calcul détaillé en page Alimentation
d'une LED) :
R = U / I = (24 - 2) / 0.02 = 1100 ohms (prendre la valeur normalisée de 1,2 kO)
Inconvénient : l'illumination de la LED dépend de la valeur de la tension de sortie. Avantage : solution ultra simple. - soit on utilise un générateur de courant constant, comme je l'ai fait ici. Le transistor à effet de champ Q1 est câblé de telle sorte qu'il travaille en source de courant (tension Gate-Source Vgs = 0). Inconvénient : la LED s'allume très faiblement quand la tension de sortie est très faible. Avantage : taux de luminosité quasi identique sur (presque) toute la plage de tension de sortie.
Brochage des composants de puissance
Le régulateur LM338K utilisé ici est en boîtier TO3. Il est moins pratique à câbler qu'un LM338T en boîtier TO220, mais sa surface d'échange avec le dissipateur thermique est plus étendue, ce qui facilite le refroidissement.
Pour la double diode 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.
Précautions
Le courant que peut débiter cette alimentation pouvant être très élevé, il est primordial que toutes les liaisons électriques soient d'excellente qualité et de forte section. Gros câbles de rigueur donc (une section de 1,5 mm² voire 2,5mm² n'est pas du luxe), et soudure en quantité sur le circuit imprimé pour "renforcer" les pistes de cuivre.
Prototypes
Deux prototypes réalisés selon implantation montrée plus loin. Sur le premier, le réglage de la tension de sortie est assurée par un potentiomètre ajustable multi-tours. Sur le second, on a droit à un potentiomètre de tableau classique mono-tour.
Pour ce premier prototype, je n'avais plus de dissipateur thermique de taille suffisante. Je me suis donc contenté de celui qu'on voit sur les photos ci-devant. Dans de telles conditions de refroidissement modéré, il serait plutôt ambitieux de faire travailler le régulateur avec un différentiel de tension entrée-sortie de 3 V (minimum requis pour une bonne régulation) et un courant de sortie de 5 A... cela nous ferait 15 W à dissiper, un peu trop pour le dissipateur utilisé dont la résistance thermique doit être de l'odre de 10°C/W (pour 15 W, cela engendrerait une augmentation de température de 150°C, vision du futur pas terrible). C'est la raison principale qui m'a poussé à limiter mes ambitions pour cet exemplaire et à mettre des condensateurs de seulement 1000 uF au lieu des 4700 uF prévus.
Le second propotype est plus gonflé que le premier, il dispose d'un dissipateur un peu plus grand (modèle 4°C/W là aussi légèrement surélevé du circuit imprimé pour laisser passer l'air en dessous) et de cinq condensateurs de 2200 uF. Pour rappel, on estime qu'il faut grosso-modo une capacité de 1000 uF à 2000 uF par tranche d'un ampère pour un filtrage correct. Pourquoi alors ai-je prévu 4 x 4700 uF sur le schéma d'origine ? Ah la la mon brave monsieur, si vous saviez...
Remarques :
- Les LM338 sont des vrais (des originaux), pas de pâles
"copies" qu'on
trouve sur le net à un prix dérisoire (contrefaçon).
- Le potentiomètre de tableau de 22k visible sur le second prototype
n'est là que pour faire joli, la valeur requise est bien de 2,2k.
- Sur ces deux prototypes, les condensateurs C1Y et C1Z (pas prévus à l'origine) sont soudés côté cuivre.
Circuit imprimé (PCB)
Réalisé en simple face et sans strap, un exploit dont on a pas fini de parler.
Typon (PCB) au format PDF
Historique
16/07/2023
- Ajout photos prototype #1 et prototype #2.
25/06/2023
- Première mise à disposition.