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Bloc-notes - 9 octobre 2006

Alimentation d'atelier : premiers schémas.

Cette alimentation se voulait simple, mais c'est en train de devenir une usine à gaz.

En effet, compte tenu des utilisations prévues, elle doit être en mesure de fournir de forts courants (10 à 15 ampères) sous 0 à 30 volts, et elle doit être configurable en source de courant ou de tension. Par exemple, pour l'électrozingage, avec 5 ampères par décimètre carré sous 3 à 5 volts, on imagine (en fait on calcule...) la dissipation thermique d'un ensemble de transistors ballasts ayant à chuter 25 volts sous 10 ampères : jusqu'à 250 watts ! C'est irréaliste. Il est donc indispensable de munir le système d'une prérégulation.

Ce seront en fait deux circuits de prérégulation qui seront utilisés.

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Plusieurs sorties sont dessinées :

  • 15V / 30V redressés double alternance pour servir de source à l'alimentation stabilisée tension / courant
  • 15V / 30V redressés double alternance pour servir de source d'énergie à l'étau magnétique (solénoïde d'embrayage de compresseur de climatisation automobile détourné de son utilisation normale)
  • 15 V alternatifs pour utiliser ce même solénoïde en "démagnétiseur" de pièces, d'outils, etc. Même principe, mais en plus volumineux, que les appareils destinés à démagnétiser les têtes de magnétophone
  • un "signal" 15 V alternatifs servant de base de commutation pour le prérégulateur à MOSFET

Il y a deux transfos séparés, et non un seul à double enroulement (récupération). Ces transfos sont identiques. Pour commuter les secondaires en série ou parallèle, il faudrait trois inverseurs. Le montage ci-contre - de conception personnelle donc potentiellement erroné - permet une commutation 15 V 20 A / 30 V 10 A avec un seul relais de type automobile, à un seul contact.

Ce schéma a été testé avec deux simulateurs logiciels, LWSpice et PSpice. Il fonctionne correctement. Ont été simulés : des résistances d'enroulements dissymétriques, des déphasages, etc. Tout marche comme prévu.

En fait, les sorties des ponts redresseurs sont reliées en parallèle. En pontant les secondaires des transfos, on double cependant la tension redressée (les deux redresseurs se "simplifient" en un seul prenant en entrée une tension double. De plus, il n'y a pas à se préoccuper du sens de branchement des enroulements : 0 ou 180° donnent le même résultat. C'est difficile à expliquer, le plus simple pour comprendre est de faire tourner le schéma sous SPICE, ou de suivre le courant pour chaque demi alternance.

Pour tester sous SPICE, penser :

  • à remplacer les transfos par des sources de tension alternative 15V RMS ou 22V peak / 50Hz avec résistance série (et éventuellement inductance + capacité parasite)
  • à remplacer le relais par un contact commandé en tension ou courant (ou une simple connexion pour simuler l'état "30 V"
  • à placer quelque part un "ground 0" (rien à voir avec 9/11 !!!)

Le circuit n'a pas encore été testé dans le monde réel, mais il n'y a aucune raison que le résultat soit différent...

Les capas de 47n servent à amortir les crêtes générées par la prérégulation à MOSFET.

 


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A gauche du schéma, il y a deux entrées et deux sorties :

  • entrée positive en provenance du prérégulateur à MOSFET
  • entrée négative en provenance du prérégulateur à MOSFET
  • sortie en provenance de l'émetteur du ballast : la ddp entre collecteur et émetteur est envoyée vers la commande de prérégulation à MOSFET
  • le négatif est envoyé vers le premier prérégulateur, celui commandant le relais des transformateurs. Voir plus bas. (garder présent à l'esprit que le positif en sortie - sur la charge - est à la masse)

Le circuit de régulation (encadré en rouge) est basé sur deux AOP 741. Il est directement pompé sur une alimentation à commande par microcontrôleur parue dans Elektor en mars et avril 1988. Le premier AOP (à gauche) régule la tension. Le deuxième régule le courant. Leurs sorties sont reliés entre elles par des diodes (formant une porte OU) avant d'attaquer la base du ballast. Cette partie a été légèrement simplifiée : suppression des potentiomètres ajustables de réglage d'offset. Par contre, ajout de condensateurs de découplage sur leurs alimentations positive et négative.

Le ballast est constitué d'un transistor Darlington TIP142 attaquant quatre 2N3773 en parallèle, plus performants et moins chers que les vieux 2N3055 (meilleur Vcesat en particulier). L'ensemble constitue un gros Darlington avec un très fort gain.

Ajout d'une diode LED et de sa commande pour signaler l'entrée en régime "courant régulé". Une diode zener de 4.1 V fixe le seuil : la sortie de l'AOP est à 12V sans régulation de courant, et elle varie entre 0 et 4 V lorsqu'elle contrôle le ballast (valeurs obtenues non par calcul, mais par simulation).

IMPORTANT : la masse de l'alimentation des AOP est reliée à la sortie POSITIVE du circuit.

Le réglage de la tension de sortie se fait par l'entrée non inverseuse du premier AOP. Compte tenu des valeurs des résistances qui y sont reliées, cette entrée de contrôle a une faible impédance. Elle sera commandée par la sortie à très basse impédance d'un troisième AOP. Par contre, le contrôle de courant se fait directement par l'entrée non inverseuse du deuxième, sas rien d'autre branché dessus. Un diviseur potentiométrique pourra directement l'attaquer.

Tout ce petit monde fonctionne correctement sous PSpice.

 


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Pour les réglages, il y a deux solutions :

  • deux potards multitours de précision, chers et difficiles à se procurer
  • quatre potards ordinaires, deux pour le réglage grossier, deux pour le réglage fin

C'est la deuxième solution qui sera adoptée (conception personnelle).

Il y a également deux ajustables pour les valeurs maxi. Compte tenu de la "précision" des composants (+-50%), il est possible que les résistances fixes soient à retoucher.

Un AOP monté en suiveur a été interposé pour attaquer l'entrée à basse impédance du circuit de régulation de tension. Celui de courant n'en a pas besoin (direct sur l'entrée non inverseuse).

Les résistances de 1 méga "tirent" au zéro en cas de perte de contact du curseur d'un potard.

Calculé et simulé, non testé en réel.

 


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Le premier circuit de prérégulation (conception personnelle) contrôle la commutation du circuit de redressement en 30V lorsque la tension aux bornes de la charge dépasse une certaine valeur.

Tout d'abord, le positif étant relié au point milieu des AOP, c'est le négatif qui est mesuré et la tension "vue" varie donc de 0 à -30 V. Avant d'attaquer le trigger de Schmidt réglable (AOP de gauche), il faut inverser ce "signal". C'est ce que fait l'AOP de droite monté en abaisseur inverseur (gain = 1/10) : 0 à -30V en entrée donnent 0 à +3 V en sortie pour attaquer le trigger.

Ce trigger a un seuil ajustable entre 12 et 18 V (valeurs ramenées à la sortie). Pour que le relais ne batte pas la breloque autour de ce seuil, il lui faut un certain hystérésis. Il est ajustable par un deuxième potentiomètre avec un intervalle pouvant être ajusté entre de 1.5 et 5 V (valeurs ramenées à la sortie).

Calculé et simulé, non testé en réel.

 


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Le deuxième circuit de prérégulation a été pompé sur le schéma d'une alimentation de labo paru dans Elektor en mars 1986. Ce schéma fonctionne un peu comme un gradateur en laissant passer des portions de sinus provenant des ponts redresseurs...

Un transistor bipolaire "compare" avec sa tension de jonction base - émetteur la ddp présente entre la sortie de ce circuit d'une part (reliée au collecteur du ballast) et l'entrée "ballast" - l'émetteur du ballast - c'est à dire la "Sortie +". Il entre en saturation si cette ddp réduite par le pont ajustable est plus élevée que 0.6 V, amorçant le thyristor, qui a son tour bloque le MOSFET. Cette conduction qui recharge les capas de lissage situées en aval se fait sur des portions d'alternance de courant redressé : l'anode du thyristor et la base du MOSFET sont alimentées par un courant redressé double alternance, isolé du reste du circuit afin de ne subir aucun lissage. A chaque passage par zéro, le thyristor se bloque, et le cycle recommence.

Cette comparaison et l'ouverture / fermeture du robinet ont donc lieu 100 fois par seconde, et la charge des condensateurs se fait par des impulsions taillées dans les sinus redressés.

La référence du thyristor est juste là pour les besoins de la simulation. Elle n'est en fait pas encore définitivement fixée. Sur le montage original c'est un TIC106 en boîtier TO220 (il aura au pire 0.5 W à dissiper), et son modèle SPICE n'était pas disponible avec PSpice.

Le gros inconvénient de cette prérégulation est de faire travailler les transfos en impulsions, ce qui sature facilement leur circuit magnétique, rend plus critiqueS la résistance des enroulements, les capas parasites, et leur inductance série. De plus, les toriques seraient moins bons que les "EI" à ce jeu...

Elektor écrivait qu'il fallait compter sur des possibilités divisées par deux en courant, contre le classique racine de deux sur deux pour un circuit totalement linéaire. Mais les possibilités de refroidissement étant ce qu'elles sont, et étant incapable de concevoir et mettre au point une alimentation à découpage, il fallait bien trouver une solution. Merci Elektor !

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Au départ, ça devait être simple (et ce n'est pas fini, il manque les afficheurs, les borniers, les interrupteurs)...

Le bazar ci-contre a été testé avec PSpice, et fonctionne comme prévu mais seulement en simulation. La réalisation sera modulaire afin de pouvoir facilement mettre au point, modifier et faire évoluer l'appareil.

(portions pompées encadrées en rouge, le reste est perso)

Le refroidisseur a été revu pour profiter au maximum de son ailettage. Les ventilos sont montés en extraction.

Les transistors qui ont été récupérés avec sont malheureusement inutilisables. Ce sont des transistors haute fréquence, et ce qui était vendu plus ou moins au poids comme transpondeurs réformés s'avère être un lot d'antédiluviennes et énormes alimentations à découpage.

Radiateur et ventilateurs sont reliés par de aluminium de 2 mm formé après recuit. L'air est ainsi canalisé proprement, et l'ensemble facilement démontable.

Les entretoises (récupérées elles aussi) serviront à la fixation du module de régulation.

L'alimentation des AOP et circuits annexes se fera peut être grâce à cette alimentation à découpage très compacte. Celle de PC est trop encombrante.
Le refroidissement des ponts redresseurs sera lui assuré par ce profilé (générateur ultrasonique pour transducteur piézoélectrique d'une grosse cuve de nettoyage - récupération également). Les ponts passent pilepoil au centre de l'ailettage.

Il faut encore commander les composants, puis apprendre à se servir d'un logiciel de routage. En 20 ans, les choses ont bien évolué... il paraît que calques, transferts Mecanorma et Rötring, c'est démodé. De toutes façons, les Rötring sont secs depuis belle lurette !

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