Alimentation "digitale" 0-28 Volts 2 Ampères

     Nous allons décrire deux alimentations que l'on trouve pour une somme dérisoire sur le site de BANGGOOD. La première est originale puisque qu'elle est "digitale" et la seconde plus classique. Ces kits sont de très bonne qualité avec des résistances à 1% et des circuits imprimés sérigraphiés. A noter qu'il ne manquait aucun composant et qu'elles ont fonctionné la dernière soudure effectuée. Nous verrons quand même que pour la deuxième, les caractéristiques annoncées sont un peu optimistes et que pour les atteindre, il faut faire certaines modifications.

     Commençons par la première dont la régulation est faite par l'intermédiaire d'un microcontrôleur. Elle peut délivrer 2 Ampères avec limitation d'intensité et affichage sur LCD. Les deux organes de réglage (U et I) sont en fait des codeurs à crans ce qui change de la douceur d'un potentiomètre. Le seul inconvénient (mineur) c'est de ne pas pouvoir ajuster finement la tension.
    Elle pourra servir de petite alimentation passe-partout très pratique d'utilisation. En effet, chaque cran des codeurs fait varier la tension de 0,1 Volt et 0,1 Ampère. De plus, une pression sur chaque codeur permet de mettre en mémoire la valeur affichée. L'afficheur indique en permanence la tension et l'intensité et le passage en régulation de courant. Un ventilateur fonctionne lorsque la température du dissipateur dépasse 50°C.

     Sur le site de BANGGOOD on trouvera également un ensemble dissipateur + ventilateur qui s'adapte sur le circuit imprimé et éventuellement un coffret en plastique avec poignée formant béquille. Par contre il faudra approvisionner ailleurs le transformateur.
    Tout cela à un prix fort raisonnable et une expédition assez rapide via les Seychelles (!?).

PRINCIPE

Carte Contrôle

Carte Régulation

     Nous avons élaboré le schéma en partant des deux circuits imprimés, par contre le microcontrôleur gardera son secret, le logiciel n'étant pas diffusé par le fournisseur (donc attention à ne pas "griller" l'ATMéga8).
    Comme on peut le voir, la partie régulation est assez classique mais permet par l'intermédiaire d'un amplificateur (9014-9015) dont le gain est de 6,7 d'attaquer le transistor D882 et d'atteindre les 28 Volts. Par contre la gestion de la régulation est originale car faisant appel à une conversion digitale-analogique par un réseau résistif en échelle R-2R. Les mesures de tension et d'intensité font appel chacune à un convertisseur analogique-digital inclus dans le microcontrôleur.

RÉALISATION

     Par rapport au montage original, nous n'avons apporté que des modifications mineures. Le capteur de température a été placé au sommet du radiateur et le ventilateur a été fixé sur la paroi car nous n'avons pas pu le fixer au dissipateur avec les vis fournies sans le torturer.
    Nous avons ajouté deux diodes de protection sur les entrées du microcontrôleur, on ne prend jamais assez de précautions !
    On peut aussi pleinement profiter d'une luminosité plus forte du LCD en remplaçant la résistance fournie (220 ohms) par une de valeur plus faible, ou même un strap. A vérifier quand même que le LCD supporte ce traitement.
    Pour des raisons mécaniques, le circuit du LCD a été éloigné de la face avant et les codeurs ont reçu des prolongateurs. Le transformateur préconisé de 24V et 50VA ne permet pas d'atteindre la pleine échelle des valeurs de tension et d'intensité. Nous avons opté pour un transformateur torique de 2x15V et 75VA.

Alimentation classique "0-28 Volts 3 Ampères"

     Comme nous le verrons plus loin cette dénomination est loin de la réalité, c'est la raison des guillemets !

     Rien de plus classique que cette alimentation qui fait appel à une régulation à l'aide d'un amplificateur opérationnel. Nous donnons ici le schéma qui a été redessiné mais conforme à l'original que l'on trouve sur le site du fournisseur.

     Pour commencer, il y a un transformateur secteur abaisseur dont l’enroulement secondaire est prévu pour une tension de 24 V et un courant de 3 A. Il est connecté aux points d’entrée du circuit, aux broches 1 et 2. (La qualité de la tension de sortie de l’alimentation sera directement proportionnelle à la qualité du transformateur.)
La tension alternative du secondaire du transformateur est redressée par le pont constitué des quatre diodes D1 à D4. La tension continue prélevée à la sortie du pont est lissée par le filtre constitué du condensateur réservoir C1 et de la résistance R1.
    Ce circuit possède quelques caractéristiques particulières qui le distinguent nettement des autres alimentations de sa catégorie. Au lieu d’utiliser un système de contre-réaction variable pour contrôler la tension de sortie, notre circuit utilise un amplificateur à gain constant afin de fournir la tension de référence nécessaire à son fonctionnement stable. Cette tension de référence est générée à la sortie de U1.
    Le circuit fonctionne de la manière suivante : la diode D8 est une diode Zener de 5,6 V qui fonctionne ici avec un courant correspondant à un coefficient de température nul. La tension à la sortie de U1 augmente progressivement jusqu’à ce que la diode D8 entre en conduction. À partir de ce moment, le circuit se stabilise et la tension de référence de la Zener (5,6 V) apparaît aux bornes de la résistance R5.
    Le courant qui circule dans l’entrée non-inverseuse de l’amplificateur opérationnel est négligeable. Par conséquent, le même courant traverse R5 et R6. Comme ces deux résistances ont la même valeur, la tension à leurs bornes est identique. Étant donné qu’elles sont montées en série, la tension totale est exactement égale au double de la tension aux bornes de chacune d’elles.
    Ainsi, la tension présente à la sortie de l’amplificateur opérationnel (broche 6 de U1) est de 11,2 V, soit deux fois la tension de référence de la diode Zener.
    Le circuit intégré U2 possède un facteur d’amplification constant d’environ 3, conformément à la formule :

A = (R11 + R12) / R11

     Il amplifie donc la tension de référence de 11,2 V pour obtenir une tension d’environ 33 V. Le potentiomètre RV1 et la résistance R10 permettent de régler les limites de la tension de sortie, de telle sorte qu’elle puisse être abaissée jusqu’à 0 V, malgré les tolérances des autres composants du circuit.

Limitation du courant de sortie

     Une autre caractéristique très importante de ce circuit est la possibilité de prérégler le courant maximal de sortie que l’on peut tirer de l’alimentation. Cela permet, en pratique, de transformer celle-ci d’une source de tension constante en une source de courant constant.
    Pour rendre cela possible, le circuit détecte la chute de tension aux bornes d’une résistance R7, montée en série avec la charge. Le circuit intégré U3 est chargé de cette fonction.
    L’entrée inverseuse de U3 est polarisée à 0 V par l’intermédiaire de R21. En même temps, la tension appliquée à l’entrée non-inverseuse de ce même circuit intégré peut être réglée à n’importe quelle valeur au moyen du potentiomètre P2.
    Supposons que, pour une tension de sortie de quelques volts, le potentiomètre P2 soit réglé de manière à maintenir l’entrée du circuit intégré à 1 V. Si la charge augmente, la tension de sortie sera maintenue constante par l’étage amplificateur de tension du circuit. La présence de R7 en série avec la sortie aura un effet négligeable, en raison de sa faible valeur et de sa position en dehors de la boucle de contre-réaction chargée du contrôle de la tension.Tant que la charge reste constante et que la tension de sortie n’est pas modifiée, le circuit demeure stable.
    Cependant, si la charge augmente au point que la chute de tension aux bornes de R7 dépasse 1 V, le circuit intégré U3 entre en action et l’alimentation passe en mode de courant constant. La sortie de U3 est reliée à l’entrée non-inverseuse de U2 par l’intermédiaire de la diode D9. U2 est responsable du contrôle de la tension. Lorsque U3 est relié à son entrée, il peut effectivement prendre le dessus sur la fonction de U2 et la supplanter.
    En pratique, la tension aux bornes de R7 est surveillée et ne peut pas dépasser la valeur prédéfinie (1 V dans notre exemple), car la tension de sortie de l’alimentation est réduite en conséquence.
    Il s’agit donc d’un moyen de maintenir le courant de sortie constant. Ce système est suffisamment précis pour permettre de régler la limite de courant à une valeur aussi faible que 2 mA.
    Le condensateur C8 est destiné à améliorer la stabilité du circuit. Le transistor Q3 commande la LED, qui s’allume lorsque le limiteur de courant est activé, fournissant ainsi une indication visuelle de son fonctionnement.

Alimentation négative et protection du circuit

     Pour permettre au circuit intégré U2 de réduire la tension de sortie jusqu’à 0 V, il est nécessaire de disposer d’une alimentation négative. Celle-ci est réalisée au moyen du circuit constitué des condensateurs C2 et C3.
    Cette même alimentation négative est également utilisée par U3. Comme U1 fonctionne dans des conditions fixes, il peut être alimenté à partir du rail positif non régulé et de la masse. Le rail d’alimentation négatif est produit par un simple circuit de pompe de tension, dont la tension est stabilisée par R3 et D7.
    Afin d’éviter tout fonctionnement incontrôlé lors de l’arrêt de l’alimentation, un circuit de protection a été conçu autour du transistor Q1. Dès que le rail d’alimentation négatif disparaît, Q1 supprime toutes les commandes destinées à l’ét age de sortie. Cela permet de ramener immédiatement la tension de sortie à zéro dès que l’alimentation secteur est coupée, protégeant ainsi le circuit et les appareils connectés à sa sortie.
    En fonctionnement normal, Q1 est maintenu bloqué par la résistance R14. Cependant, lorsque le rail négatif disparaît, le transistor devient conducteur et force la sortie de U2 à un niveau bas.Le circuit intégré possède une protection interne et ne risque pas d’être endommagé par cette mise en court-circuit effective de sa sortie.
    Il s’agit d’un avantage considérable pour les travaux expérimentaux : il est possible de supprimer la tension de sortie d’une alimentation sans devoir attendre que les condensateurs se déchargent. Cette fonction offre également une protection supplémentaire, car la tension de sortie de nombreuses alimentations stabilisées a tendance à augmenter brutalement au moment de l’arrêt, ce qui peut entraîner des conséquences désastreuses.

     Cette alimentation ne disposant pas d'afficheur LCD pour lire tension et intensité, nous avons opté pour un petit afficheur que l'on trouve sur différents sites chinois et sur eBay pour un prix très modique.
    On va en profiter pour détailler le branchement de cet afficheur. Sur l'arrière de l'afficheur on trouve deux connecteurs, un à deux broches qui via un shunt, mesure l'intensité et un deuxième à trois broches et fils fins qui est l'alimentation (rouge) la mesure de la tension (jaune) et le commun (noir). Les fils noirs sont reliés en interne.

    Deux modes de fonctionnement sont possibles:

- Le module est alimenté par une alimentation indépendante et permet donc une pleine échelle de mesure jusqu'à 0 Volts.
- Le module est alimenté directement par le montage et dans ce cas il n'est pas possible d'afficher une tension inférieure à 4 Volts.

     C'est ce premier cas qui nous intéresse puisque notre alimentation descend jusqu'à 0 V. L'inconvénient c'est qu'il va falloir construire une petite alimentation de 12 Volts sous environ 10 mA.

     Voici les deux branchements possibles :

     Concernant cet afficheur, il semble que le concepteur du boitier plastique n'ait jamais essayé de le fixer sur une face avant. Déjà que ce genre de fixation est pénible à utiliser car on ne sait jamais la taille exacte de la découpe à faire (qui dépend en plus de l'épaisseur de la tôle), nous avons là l'exemple type d'un système inutilisable. Il n'y a aucune flexibilité des pattes qui sont bloquées contre les afficheurs et cela se termine par un collage après avoir usé inutilement de la lime. Pour contrer cela et avoir un dispositif amovible, nous avons confectionné un cadre en cornière de laiton. C'est long à faire mais au moins c'est fonctionnel. Il faudra néanmoins supprimer avec une petite fraise, les quatre pattes.

     A l'arrière de l'afficheur on dispose de deux ajustables, l'un pour la tension et l'autre pour l'intensité. En outre, pour refaire le zéro de l'intensité en cas de dérive, il y a deux petits plots marqués "I_ADJ_Z " que l'on court-circuitera momentanément avec des brucelles à bouts pointus pendant la mise sous tension.

TRANSFORMATION D'UNE "30V 3A" EN UNE VRAIE 28V 3A

     Cette alimentation est donnée pour 30V et 3A. Nous allons voir que ces chiffres sont exagérés pour l'intensité et préjudiciables pour la tension. En effet, le transformateur préconisé est un 24 Volts ce qui, une fois redressé et filtré donnera environ 33 Volts auxquels il faut ajouter les 5 Volts de la rampe négative. Nous avons donc aux bornes alimentation de U1, U2 et U3 une tension de 38 Volts. Compte tenu que la tension maximum indiquée dans la fiche technique des TL081 est de 36 Volts, on voit que ces deux circuits sont à la limite de rendre l'âme. Une solution est de les remplacer par des TLE2141ou des MC34071 qui tiennent 44 V. C'est la première modification effectuée avec également un condensateur de filtrage C1 porté à 4700µF et des diodes de redressement D1 à D4 remplacées par des 8A Schottky.
    Côté intensité, là aussi on est très optimiste. Quand on voit le radiateur fourni (en option) et malgré un petit ventilateur, on s'imagine bien qu'il n'est pas possible dans ces conditions de dissiper une puissance qui peut aller jusqu'à 80 ou 90 Watts. Une option serait de placer le transistor ballast sur un radiateur plus conséquent. Au lieu de cela, nous avons utilisé deux radiateurs et deux ventilateurs (Banggood). Sur chaque radiateur est fixé un 2SD1047 et sur l'un des radiateurs est plaqué un LM35, le but étant de démarrer les ventilateurs au-delà d'une certaine température et de les faire tourner de plus en plus rapidement au gré de l'augmentation de température jusqu'à leur vitesse maximum, le tout étant géré par un ATMEGA328P programmé par un sketch Arduino. La température est affichée sur un LCD de deux fois huit caractères. La deuxième ligne indique la valeur de la modulation par largeur d'impulsions (MLI ou PWM).

     Comme il restait de la place dans le coffret, nous avons ajouté un petit circuit qui permet d'obtenir une tension symétrique variable de 2,5V à 14V.

     Les modifications :

     Elles vont nécessiter une chirurgie du circuit et un remplacement de certains composants. Ci-après le nouveau schéma avec en rouge les composants modifiés ou ajoutés par rapport au schéma original :

      
    Remarques: Les quatre cercles rouges indiquent les coupures de piste. R1 (2k2), remplacée par une 4k7 est tournée à 90° et soudée à une pastille non utilisée du connecteur FAN. R16 (1k) est soudée sous le circuit. Les deux potentiomètres fournis dans le kit, de qualité moyenne, sont remplacés par un "bobiné" 10 tours pour la tension et un "cermet" mono-tour pour l'intensité.

     Tout d'abord, ne rêvons pas et restons raisonnable. Avec un transformateur de 2 x 15V capable de fournir 3,3A (100VA) on n'arrivera jamais à obtenir une tension de 30V sous 3A en sortie, même avec un "gros" chimique de filtrage. N'oublions pas la chute de tension dans le pont redresseur et les transistors de puissance. Et à son intensité maximum, le transformateur de 30V donnera plutôt 29V même si c'est un "torique".

      A vide la tension redressée et filtrée monte à 46V environ ce qui oblige à faire ces modifications :

- Transformateur torique de 2x15V 100VA
- Remplacement des TL081 par des MC34071 ou des TLE2141 qui supportent 44V
- Alimentation positive des 3 circuits intégrés et de Q3 par une tension de 35V obtenue à l'aide d'un régulateur LM317L.
- Remplacement du condensateur de filtrage par un 4700µF 63V après perçage au nouveau pas.
- Ajout de deux transistors de puissance en parallèle et d'un radiateur ventilé.
- R2 passe à 100 ohms 1W, R1 à 4,7k 1W, R3 à 270 ohms, R13 à 15k et R22 à 2k7.
- C5 est remplacé par un condensateur de même valeur (220nF) mais de 100V.
- Pour ajuster les fins d'échelle de tension et intensité, R12 passe à 47k, R17 à 100 ohms et R18 à 59k.
- D1 à D4 3A remplacées par des 8A 100V Schottky.
- Le shunt R7 remplacé par deux 1 ohm 5W en parallèle.
- Directement sur les bornes de sortie sont soudés deux condensateurs (100µF et 100nF) ce qui améliore nettement le bruit parasite et l'abaisse   à moins de 5mV crête à crête.

     Le refroidisseur :

     Conclusions :

     Les tests d'endurance ont montré que dans des conditions sévères (1V et 3A) la température des deux dissipateurs n'excède pas 60°C.

     Ainsi modifiée, cette alimentation à un prix imbattable remplit parfaitement son rôle.

Alimentation à découpage 0-30 Volts 5 Ampères
 

Puisque nous sommes dans les alimentations chez BANGGOOD, signalons un module encastrable qui permet de construire très facilement une alimentation assez puissante. Le module intelligent possède un codeur et des poussoirs qui permettent la programmation en tension et intensité. Avouons quand même qu'il faut une certaine dose de perspicacité pour maitriser son fonctionnement.
    Nous avons utilisé un transformateur de récupération 40V et 200VA. Le petit ventilateur n'est pas forcément indispensable sauf à pousser cette alimentation dans ses derniers retranchements.

Alternative à un transformateur d'alimentation

     Toujours chez Banggood, on trouve un module alimentation à découpage capable de fournir 24 Volts courant continu sous 4 à 6 Ampères (4A To 6A 24V Switching Power Supply Board AC-DC Power Module).
A moins de 7 euros, il pourrait remplacer le transformateur et le redresseur situés en tête d'une alimentation classique, par exemple l'alimentation digitale décrite plus haut mais pas par contre pour la deuxième qui nécessite une entrée alternative pour produire la tension négative.
    Mais ce qui est intéressant c'est que l'on peut modifier très simplement cette tension de sortie tout en restant dans la limite des 100 Watts. Il suffit de modifier la valeur d'une résistance et de la rendre variable.
    En effet, la référence de tension est faite par un TL431 en SOT23-3 (IC2) situé sur ou sous le circuit selon les arrivages. Il est accompagné de ses deux résistances R18 et R19 destinées à ajuster la tension de référence de l'alimentation. Il suffit de remplacer R18 par un ajustable 20 tours de 10k en série avec une résistance de 18k. L'opération "chirurgicale" consiste à retirer à l'aide d'une tresse à dessouder la résistance et de souder sur les plots devenus libres, deux fils fins reliés à petit circuit supportant l'ajustable et sa résistance. Le tout est fixé au radiateur.
    Attention toutefois à ne pas dépasser en sortie la tension de 30 Volts, le condensateur chimique de 1000µF en sortie étant limité à 35 Volts.

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