Electronique > Réalisations > Alimentations > Alimentation simple 004
Dernière mise à jour : 07/06/2015Caractéristiques principales
Tension : +13.8 VCourant : 10 A
Régulée : Oui
Présentation
Cette alimentation secteur, basée sur l'emploi d'un régulateur de tension de type LM317 et d'une bardée de transistors de puissance, permet d'alimenter des montages gros consommateurs d'énergie, puisque le courant qu'elle est capable de débiter atteind 10 A (et même 20 A si on accepte une ondulation résiduelle et une chute de tension un peu plus importante en sortie).
Bien entendu, une telle puissance requiert certaines précautions, qui seront mentionnées un peu plus loin. Ce montage est une version améliorée d'une alimentation que j'avais réalisée dans les années 80 pour un poste CB et son petit ampli de 40 W, alimentation qui était à l'origine composée de diodes zener pour la régulation (il y en avais deux ou trois en série pour faciliter leur dissipation de puissance) et de 4 transistors de type 2N3055 pour la partie puissance.
Schéma - 1ère version
Le schéma de base (d'origine) était le suivant :
J'ai ajouté un régulateur de tension ajsutable de type LM317 au circuit précédent (en remplacement des diodes zener), tout en gardant les transistors de puissance.
Abaissement de la tension secteur
L'abaissement de la tension 230V du secteur est assurée par un transformateur dont le secondaire devra être capable de délivrer 15V sous 12 A, un modèle de 200 VA ou plus est donc requis. Oui, ça commence à faire gros, et c'est la raison pour laquelle, en particulier, certains préfèrent utiliser une alimentation à découpage qui chauffe moins et prend moins de place. Mais nous ne sommes pas ici pour discuter du mieux de l'alim linéaire ou du mieux de l'alim à découpage, le but ici est bien de discuter d'une alimentation de puissance utilisant des composants pas trop exotiques, et qui font sans doute moins peur que certains autres.Redressement
Le redressement de la tension alternative, délivrée par le secondaire du transformateur, est confié aux diodes D1 à D4 de type MBR20100CT, 100V / 20A. Diodes pas vraiment classiques puisqu'il s'agit de modèles de puissances Schottky (faible chute de tension, mais sous de forts courants). Si elles ne sont pas courantes, elles travaillent tout de même de la même façon que les 1N4007 d'une alimentation secteur plus modeste, en formant un pont appelé pont de graetz, et permettant d'obtenir un redressement de type double alternance (détails sur la page Alimentation - Bases). Si vous avez du mal à vous procurer ces diodes, rien ne vous empêche d'en mettre d'autres à la place, du moment que le courant direct de ces diodes de remplacement soit d'au moins 20 A et que la tension inverse maximale soit d'au moins 100V.Filtrage principal
Les condensateurs chimiques (électrolytiques) C1 à C4 de 10000 uF chacun (10 mF) assurent le filtrage de la tension redressée. Leur valeur est calculée pour un courant de sortie de 20A. Pour un fonctionnement continu de 10A, deux condensateurs de 10000 uF suffisent.Régulation
Elle est confiée au régulateur de tension intégré de type LM317. Le condensateur C5 placé entre la sortie du régulateur et la masse diminue le risque d'oscillation parasite du régulateur. Ce condensateur doit être placé le plus près possible du régulateur lui-même. Un contrôle de présence tension en sortie du régulateur est assuré par la led (D6) mise en série avec la résistance R9 qui permet de limiter le courant qui la traverse.Section puissance
Les transistors de puissance utilisés sont des darlingtons de type TIP122, capable de supporter 5 A chacun. Ils sont cablés en suiveur de tension : leur base reçoit la tension régulée issue du LM317, et restituent cette tension sur leur émetteur avec une chute de tension de quelques centaines de mV. C'est pourquoi on demande au LM317 une tension de sortie légèrement plus élevée que la tension de sortie finale désirée. Les transistors sont également montés en parallèle les uns avec les autres, avec une résistance de faible valeur et de forte puissance dans le circuit d'émetteur, afin de répartir correctement le courant dans chacun d'eux. Sans ces résistances, les transistors ne se partageraient pas de façon équitable le courant de sortie final, ce "défaut" étant lié aux dispersions de caractéristiques des transistors entre eux. Leur valeur de 0.10 ohm (ou de 0.12 ohm) est un bon compromis, elle provoque en sortie une chute de tension de l'ordre de 0.2 V pour un courant débité total de 12 A (2 A par transistor).Le remplacement des TIP122 par des 2N3055 est possible, mais il vous faudra alors doter le LM317 d'un bon radiateur, car le courant qu'il devra débiter sera de l'ordre de 0,7 A pour un courant de sortie de 10 A (voir schéma proposé un peu plus loin). A titre de comparaison, il n'est que de quelques dizaines de mA avec les TIP122, car ces derniers présentent un gain bien plus important et ont donc besoin d'un courant de base bien moindre pour un même courant collecteur-émetteur.
Schéma - 2ème version
Le schéma qui suit présente une version modifiée, qui tient mieux compte des dispersions de caractéristiques entre les transistors de puissance, et qui doit réduire les déséquilibres parfois constatés au niveau de la répartition du courant de sortie dans les six branches de puissance. Ce schéma fait suite à quelques échanges écrit avec des personnes ayant réalisé l'alimentation telle que présentée ci-avant, et qui ont eu des problèmes avec (voir note du 10/01/2008 au paragraphe Correctifs et remarques diverses, en fin de page).
Par rapport au schéma d'origine, des résistances ont été ajoutées sur chaque transistor (R11 à R16 de 10 ohms et R11' à R16' de 1 Kohms).
Version allégée (pour 4 A max)
Ce schéma n'a rien à faire ici, mais je le met tout de même, pour m'amuser et vous distraire en même temps.
Notez qu'ici, le transistor "ballast" (de type PNP pour changer un peu) n'est pas relié en série avec le régulateur de tension LM317, mais qu'il est inclus dans la boucle. La tension de sortie reste donc régulée et (pratiquement) de même valeur pour un courant de sortie de 100 mA ou de 4 A... Détails du fonctionnement donnés à la page Alimentation symétrique 010 (branche positive). Notons au passage que pour un courant max de 4 A en sortie, il n'y a pas vraiment besoin des quatre gros condensateurs de filtrage C1 à C4, un ou deux suffisent.
Petit retour en arrière... avec des 2N3055
On est nombreux a être tombé amoureux du 2N3055, aussi bien pour réaliser une alimentation de puissance que pour réaliser un ampli de puissance (eh oui). Le schéma qui suit montre la combinaison d'un LM317 avec quatre transistors 2N3055 en boîtier TO3.
Ce schéma est montré juste pour info et il vaut mieux limiter son usage à un courant de sortie de 8 A (au-delà la chute de tension en sortie est trop élevée), mais cela peut donner des idées ;-)
Brochages
Le brochage des différents semiconducteurs utilisés ici est visible sur les dessins ci-dessous. Tous sont en boitier TO220, et dans tous les cas, le brochage est donné vue de devant, c'est à dire avec la semelle métallique (à plaquer contre le radiateur de refroidissement) à l'arrière.
Précautions à prendre
Câblage
Avec une alimentation capable de débiter un tel courant, il est primordial que toutes les liaisons électriques soient d'excellente qualité et de forte section. Gros cable de rigueur donc, et soudure en quantité sur le circuit imprimé si vous décidez d'en faire un. Une mauvaise soudure ne pardonnera pas, soyez très soigneux. Les liaisons les plus "critiques" sont celles qui sont représentées en gras sur le schéma. Ne prennez surtout pas ce point à la légère, il en va de la qualité de la tension continue délivrée en sortie. Si vous soignez bien votre montage, vous constaterez que la tension de sortie, voisine de 13.8V à vide, sera toujours de 13.5V ou 13.4V sous 12A. Avec un peu d'ondulation résiduelle il est vrai (quelques dizaines de mV), mais ça ne devrait pas poser de problème dans la majorité des cas.Refroidissement
Les transistors TIP122 doivent impérativement être placés sur un radiateur de dimensions suffisantes, afin de permettre une dissipation correcte des calories, et leur donner toutes les chances de vivre longtemps. Vous pouvez utiliser des radiateurs séparés, ou utiliser un radiateur unique sans prévoir d'élement d'isolation, puisque la semelle métallique du TIP122 est reliée au collecteur, et que tous les collecteurs sont reliés ensemble.
Tant que vous y êtes, et si vous utilisez un radiateur unique, vous pouvez aussi monter le LM317 sur le radiateur supportant les transistors de puissance (un isolant est nécessaire dans ce cas), même s'il ne chauffe pas trop (aucune obligation cependant). Pour ma part, j'ai monté les six TIP122 verticalement sur des radiateurs indépendants, et n'ai pas mis de radiateur sur le LM317.
Prototype
Voici ma maquette, qui n'a rien de bien sensationnel. Pour "optimiser" le placement des résistances de puissance (0,1 ohm), j'ai monté les TIP122 un coup dans un sens, un coup dans l'autre. Notez que ces résistances sont surelevées afin de facilter leur dissipation thermique. Les photos ci-dessous laissent entrevoir les résistances ajoutées dans la deuxième version.
Les pistes où passent les courants forts sont renforcées par un bon morceau de fil de cuivre rigide, et sont généreusement étamées.
Le pont de diode utilisé, un modèle 25A. Les MBR20100CT (100V / 20A) conviennent toujours, mais comme j'ai récupéré plusieurs ponts carrés de ce type, j'ai voulu en utiliser un.
Circuit imprimé
Non réalisé.Historique
07/06/2015- Ajout schéma avec transistors 2N3055 (004y).
13/01/2008
- J'ai travaillé ce WE sur ma maquette d'alim, afin d'essayer d'éradiquer le problème de répartition irrégulière de courant dans les transistors de puissance TIP122 constaté par certains. En toute franchise, je ne sais pas si cela améliore la situation dans tous les cas. J'ai laissé tourner la maquette un peu plus longtemps qu'au moment de sa réalisation avec une charge résistive de 2,2 ohms (environ 7A en sortie), et ai effectivement constaté un leger écart d'échauffement d'un ou deux transistors par rapport aux autres. J'ai ajouté des résistances sur chaque transistor, et celà semble avoir amélioré les choses, mais là encore, j'ai vraiment du mal à en être totalement convaincu. J'attendrai donc les retours des personnes embêtées pour savoir si cette modification aura été oui ou non bénéfique à leur système.
10/01/2008
- Certains d'entre vous m'ont fait part d'un problème d'équilibrage incorrect des courants dans les transistors TIP122, occasionnant une surchauffe d'un transistor et pas des autres. Sur ma maquette, je n'avais pas vraiment fait attention à ce point, ça ne m'avait pas du tout sauté au yeux car pas flagrant du tout. Je pense que le problème vient du grand gain des TIP122 et des dispersions de caractéristiques d'un transistor à l'autre, qui peut engendrer ce déséquilibre difficile à conjurer même en augmentant les résistances d'équilibrage présentes sur chaque émetteur (en remplaçant les 0,1 ohm par des 3 ohms, ça fonctionne mais évidement avec une chute de tension qui devient inacceptable). J'essayerai de travailler sur ma maquette le WE prochain pour voir si l'on peut atténuer facilement ce désagrément. En passant, je confirme que le problème n'a pas lieu quand on emploie des 2N3055 à la place des TIP122, mais les courants de base réclamés alors provoquent un bon échauffement du LM317, qu'il convient dès lors de placer sur un bon radiateur, ce que je souhais justement éviter au départ ! Droit à l'erreur ?
21/09/2007
- Avant le 21/09/2007, les diodes de redressement étaient mal cablées, et le montage ne pouvait pas fonctionner. L'erreur était tellement évidente qu'elle ne m'a même pas sauté aux yeux imédiatement. Désolé pour ceux qui se sont gratté la tête pour ça.
- Retrait de la capa de 10u que j'avais montée entre borne ajust du LM317 et masse. Elle ne changeait pas grand chose au résultat final, on peut donc s'en passer.
- Diminution de la valeur de la capa C5, de 10u elle passe à 1u. Là aussi, pas besoin d'en faire trop, vu le courant demandé en sortie du régulateur LM317.