alimentation 20a

ALIMENTATION 20A
Les systèmes conçus pour être
alimentés par la batterie 12V d'un
véhicule sont souvent de forte
puissance, quant il s'agit d'émetteurs
radio ou d'amplificateurs HI-FI.
Pour utiliser de tels appareils en
station fixe, alimentée par le secteur,
une alimentation stabilisée robuste est
nécessaire.
Introduction
L'alimentation stabilisée, que nous vous
proposons
se
substitue
au
réseau
d'alimentation batterie, alternateur, régulateur
d'un véhicule. Elle permet d'utiliser dans un
contexte différent sous une alimentation
secteur de 220V, des appareils prévus pour
fonctionner dans des véhicules . D'autre part,
compte tenu de son dispositif de limitation de
courant, elle peut être utilisée comme
chargeur de batterie ou comme alimentation
tampon sur une batterie, afin que la station
soit autonome en cas de coupure secteur.
La tension d'une batterie à pleine charge est
de 13,8V et correspond bien souvent à la
puissance maximale annoncée pour des
appareils branchés sur une batterie de 12V.
La tension de sortie de notre alimentation
stabilisée est donc de 13,8V, mais elle reste
réglable dans une plage autour de 12V et
pourra être fixée à la valeur de votre
application.
Outre la limitation du courant maximal, cette
alimentation stabilisée dispose de trois
protections : contre une inversion des
polarités lors du branchement d'une batterie
en sortie, contre une tension de sortie
excessive (tension de sortie supérieure à
16V) et une protection rudimentaire en cas de
coupure secteur avec une batterie pour
charge (cas d'une tension de sortie
supérieure à la tension d'entrée du
régulateur).
Le schéma
La figure 1 donne le schéma de principe de
l'alimentation stabilisée. Elle repose sur une
régulation série classique, dont les sousensembles sont : le transformateur abaisseur
de tension, le redressement et filtrage, le
régulateur et l'étage de puissance. Comme
nous l'avons déjà exposé, ce dispositif
ordinaire est complété par des réseaux de
protection et une alimentation secondaire est
prévue pour obtenir à l'arraché les 15 ou 20A
souhaités en sortie et même davantage en
mode momentané, si votre transformateur ne
s'écroule pas.
Les transformateurs :
Deux transformateurs sont nécessaires si l'on
souhaite atteindre un courant très important,
tout en minimisant la dissipation.
En effet, les limites de l'alimentation, en régime
permanent, dépendent de la puissance du
transformateur et de la dissipation possible.
Pour limiter la dissipation, la tension au
secondaire du transformateur doit être la plus
faible possible.
Or, comme la tension de sortie du
transformateur chute avec l'augmentation de
sa charge et que la tension nécessaire au
régulateur et à son transistor driver de sortie
est supérieure à la tension utile à l'étage de
puissance, constitué des transistors T2 à T4, il
est préférable de disposer d'une alimentation
secondaire plus élevée pour alimenter le
régulateur et son transistor driver.
Le
transformateur
TR2
fournit
cette
alimentation secondaire et sa puissance
dépendra du courant de sortie souhaité. Pour
un courant de 20A, le transformateur TR2 doit
pouvoir fournir un courant de 1A. Le tableau de
la figure 2 présente un résumé des valeurs
approximatives concernant le transformateur
TR2, ainsi que quelques autres paramètres de
l'alimentation stabilisée en fonction du courant
de sortie maximal souhaité.
Avec un transformateur TR1 de 200VA et pour
un courant de sortie maximal de 10A, le
transformateur TR2 peut être économisé et les
diodes D1, D2 et le condensateur C1, ne
seront pas montés sur le module de filtrage.
Dans ce cas le collecteur du transistor T1 est
relié aux collecteurs des transistors ballast T2
à T4.
Le redressement et le filtrage :
La tension au secondaire du transformateur
de puissance TR1 est redressée par un pont
de diodes carré, prévu pour être fixé sur un
dissipateur. Ce pont de diodes est un modèle
de forte puissance. Les modèles couramment
disponibles chez les distributeurs sont des
ponts 25A / 400V, mais des ponts de 25A /
40V ou 35A / 100V conviennent également
pour cette application.
Ce redressement double alternance est
ensuite filtré par les condensateurs C2 et C3,
dont la capacité dépend du courant de sortie
maximal, souhaité. Pour connaître leur
valeur, vous vous reporterez au tableau de la
figure 2.
Le second transformateur dispose d'un
double enroulement secondaire et le
redressement bi-alternance est obtenu avec
deux diodes de redressement dont le type
dépendra encore du courant maximal
demandé par l'étage de puissance. Le filtrage
est confié au condensateur C1.
Une nouvelle fois, le tableau de la figure 2
donnera des indications utiles, en fonction
de l'utilisation visée.
La régulation :
Elle est confiée à un régulateur qui a
largement fait ses preuves. Le LM723 est en
effet très présent dans un bon nombre
d'alimentations d'applications industrielles ou
de
laboratoire.
La figure 3 donne une schématisation de ses
circuits internes. Ce régulateur dispose
notamment d'une tension de référence très
stable, obtenue avec une diode zener
intégrée, un générateur de courant
compensé en température et un amplificateur
tampon. Un transistor interne permet de
détecter
une
limitation
de
courant.
Par contre, son transistor de sortie ne peut
fournir que 150mA, insuffisant pour piloter
l'étage de puissance. Un amplificateur de
courant est donc nécessaire et obtenu avec
le transistor driver T1.
La limitation de courant est réglée à l'aide de
la résistance ajustable Aj1. Ainsi, lorsque la
tension entre les broches 2 et 3 de CI1 sera
suffisante pour polariser la jonction baseémetteur du transistor de détection du
courant, la tension de sortie en broche 10 du
LM723 chutera. La limitation se produit pour
une tension entre les broches 2 et 3 proche de
0,6V (valeur variant en fonction de la
température du circuit intégré).
La régulation de la tension de sortie +13,8V est
obtenue avec l'amplificateur opérationnel
contenu dans le LM723, dont l'entrée non
inverseuse est reliée à la source de tension de
référence par la résistance R7. Le pont
diviseur R5/Aj2/R6 permet d'appliquer sur
l'entrée
inverseuse
de
l'amplificateur
opérationnel
de
CI1,
une
tension
proportionnelle à la tension de sortie de
l'alimentation stabilisée.
Ainsi toute variation de la tension de sortie de
+13,8V est immédiatement corrigée par une
correction de la tension de sortie de
l'amplificateur opérationnel, dont la principale
propriété est de maintenir nulle sa tension
différentielle. La tension de sortie de
l'alimentation stabilisée est ainsi asservie à la
tension de référence de 7,15V du LM723.
L'étage de puissance :
Trois transistors ballast T2, T3 et T4 se
répartissent la dissipation de puissance. Ces
transistors sont montés en parallèle avec une
résistance de très faible valeur en série dans le
circuit d'émetteur, afin d'équilibrer la répartition
de la puissance en compensant la disparité du
gain de chaque transistor.
Différents types de transistors peuvent
convenir. Le choix repose entre autre sur la
forme du dissipateur dont vous disposerez.
Compte tenu de la forme du circuit imprimé et
de l'implantation retenue, des modèles en
boîtier TOP3 limiteront le câblage à son
expression minimale, car les transistors
pourront être soudés directement sur le circuit
imprimé.
A toute fin utile, le tableau de la figure 2
regroupe quelques références de transistors.
Les protections :
Un fusible rapide sous verre apporte une
protection
rudimentaire
en
cas
de
dépassement de courant, mais son rôle est
triple. Outre cette protection classique, sa
fusion se produira lors du branchement d'une
batterie en inverse sur la sortie +13,8V ou lors
d'une surtension.
En effet dans le premier cas, la diode D3 est
polarisée en directe et la tension de batterie se
retrouve appliquée aux bornes du fusible qui
ne pourra supporter le courant de court-circuit
instantané de la batterie. Une fois le fusible
fondu, le circuit de puissance est isolé de la
batterie et la diode électroluminescente D4
est éclairée, signalant immédiatement l'erreur
de branchement.
Le second cas correspond à une défectuosité
de la régulation qui pourrait être due à un
court-circuit des transistors ballast. Dans ce
cas la tension de sortie deviendrait excessive
ce qui serait préjudiciable aux appareils
connectés à l'alimentation stabilisée. Pour
prévenir ce préjudice, une surtension de plus
de 16V est détectée par la diode zener DZ1,
qui devenant passante, amorce le thyristor
TH1. Rendu passant, ce thyristor équivaut à
une diode polarisée en sens direct. Dès lors,
la sortie de l'alimentation stabilisée est en
court-circuit. La tension de sortie excessive
est alors appliquée aux bornes du fusible,
dont l'échauffement provoqué par un courant
de court-circuit élevé aura raison de son
filament. Une fois fondu, la diode
électroluminescente reçoit une tension de
polarisation suffisante pour s'éclairer et
témoigner de l'incident.
Dans le cadre d'une alimentation tampon sur
une batterie ou lors d'une utilisation comme
chargeur de batterie, la diode D4 prévient
une absence de tension secteur, en limitant
la différence de tension entre l'entrée et la
sortie du circuit de régulation.
Sur les bornes de sortie, les condensateurs
C6 et C7 effectuent un dernier filtrage.
La réalisation
Etant donné, la puissance mise en jeu et les
courants élevés, la réalisation doit être
particulièrement soignée.
La figure 4 donne le tracé des pistes du
circuit imprimé principal, tandis que le typon
du circuit de filtrage apparaît en figure 5. Ces
tracés seront reproduits par la méthode de
votre choix. Une reproduction indirecte du
circuit
principal,
par
une
méthode
photographique, permettrait grâce à la
précision du film, de mieux contrôler la
disposition des transistors.
Pour le circuit secondaire, ce dernier peut ou
non recevoir le transformateur TR2 selon que
celui-ci est un modèle à picots ou un modèle
à cosses avec un étrier.
Dans le cas d'une implantation sur le circuit
imprimé, une relative simplicité de câblage
est obtenue. Dans le cas contraire, le fusible
de protection du transformateur TR2, sera
placé dans un porte fusible en face arrière du
boîtier de l'alimentation et le secondaire de ce
transformateur sera ramené sur le circuit
imprimé par du câble de moyenne section.
La figure 6 donne l'implantation du circuit
imprimé principal et la figure 7 celui du circuit
de filtrage. La figure 8 présente le brochage
des principaux composants.
Une fois le circuit principal terminé, les pistes
larges seront épaissie afin d'en diminuer la
résistivité et permettre des courants importants
avec des moindres chutes de tension dans les
lignes de liaisons.
Les résistances R2, R3 et R4 :
Pour une alimentation de 10A, des résistances
R2, R3 et R4 de 0,1Ω€ / 5W conviennent.
Par contre, pour un débit permanent de 15A ou
20A, la dissipation de ces résistances devient
importante et des modèles de plus grandes
puissances doivent être choisis. Mais dans ce
cas, leur boîtier est alors trop volumineux et
des résistances réalisées à partir d'un fil résistif
seront
préférées.
Ce fil présente un diamètre de 1mm et une
résistivité de 0,63Ω/m. Une longueur de 10cm
permet d'obtenir une résistance de 0,06Ω,
valeur inférieure à 0,1Ω ce qui implique un
moindre échauffement et une chute de tension
réduite, introduite par la résistance.
A partir d'un morceau de fil de 10cm, trois
spires sont bobinées sur le corps d'un forêt de
8mm de diamètre. L'entre axe entre les deux
extrémités de la résistance finalement réalisée
doit être de 2cm.
Choix du radiateur :
Le choix du radiateur dépend de la puissance
à dissiper et du boîtier des transistors T2 à T4.
D'une manière générale, on aura recourt à un
profilé en barre.
La température de jonction maximale des
transistors en boîtier TO3 est de 200°C et de
150°C pour les transistors en boîtier TOP3.
Néanmoins, il est préférable de limiter cette
température à 120°C pour un fonctionnement
en régime continu avec une marge de sécurité.
La résistance Rth du radiateur sera donc
inférieure à 1,2°C/W pour les boîtiers TO3 et
inférieure à 1°C pour les boîtiers TOP3.
Le radiateur sera un modèle profilé d'une
vingtaine de centièmes de long et de 12 à
15cm de largeur. Un modèle en peigne
conviendra au boîtier TOP3. Pour les boîtiers
TO3 différents profilés sont disponibles, mais
un modèle SK53, d'une longueur de 180mm
pour une largeur de 15cm et une épaisseur
de 48mm, présente un bon compromis.
Le radiateur sera positionné sur une face du
boîtier avec ses ailettes verticales, afin de
faciliter la convection thermique et le
renouvellement de l'air au contact du
radiateur.
Choix du transformateur :
Le choix du transformateur dépendra du
courant
maximal
en
régime
de
fonctionnement permanent.
Avec un
transformateur de 200VA, un régime continu
de 10A, pour une tension de sortie de 13,8V,
est obtenu facilement avec une ondulation
résiduelle inférieure à 20mV. Les 15 ampères
en régime instantané sont également
obtenus grâce à l'alimentation secondaire.
Par contre en régime continu de 15A,
l'échauffement du transformateur dépasse les
100°C et ne peut donc être maintenu.
Les 20 ampères sont également possibles en
régime non soutenu, mais pour une tension
de sortie réduite à 12,5V à l'aide de
l'ajustable Aj1.
Pour des régimes permanent de 15 ou 20
ampères, des transformateurs de 300VA ou
350VA sont nécessaires.
D'autre part, un transformateur de type
torique
présente
l'avantage
d'un
échauffement modéré et sera préféré à un
modèle standard pour des régimes de
fonctionnement continu de débit maximal.
Refroidissement passif ou actif?
Si vous disposez déjà d'un transformateur
standard que vous souhaitez utiliser à régime
maximal soutenu, une ventilation active avec
un petit ventilateur évitera de transformer
votre alimentation stabilisée en cocotte
minute.
D'autre part, si les différents éléments
constitutifs de votre alimentation stabilisé
sont
suffisamment
dimensionné,
un
refroidissement passif est suffisant. Les
températures moyennes des différents
éléments habituellement relevées pour une
température ambiante de 20°C sont voisines
de 50°C. La chaleur qui en découle ne doit
pas vous étonner.
Par contre si le fonctionnement de
l'alimentation stabilisée à plein régime devait
s'opérer avec une température ambiante
importante, un refroidissement actif par
ventilation est recommandé.
Dans le cadre d'une ventilation forcée,
l'alimentation du ventilateur peut être asservie
à la température. Dans ce but, la figure 9
donne le schéma d'un thermostat, dont le
capteur est une simple thermistance à
coefficient de température négatif (CTN). Un
petit relais établira la mise sous tension du
ventilateur, lorsque la température dépassera
un certain seuil réglé à l'aide de la résistance
ajustable.
Emplacement des divers éléments:
Si vous avez choisi des transistors de
puissance en boîtier TO3, les deux circuits
seront placés à l'intérieur du boîtier de
l'alimentation stabilisée.
Par contre avec des transistors en boîtier
TOP3, le circuit principal est fixé sur le
radiateur à proximité des transistors T1 à T4.
Dans ce cas, les transistors seront soudés
directement sur le circuit imprimé.
Avant ces connexions, les transistors seront
fixées sur le radiateur. Etant donné que le
collecteur des transistors est un point chaud,
l'ensemble des transistors sera isolé par une
plaquette de mica et les vis seront isolées par
un canon isolant. La plaquette de mica sera
enduite de pâte thermoconductrice sur ses
deux faces.
Après la fixation d'un transistor, un test de
continuité entre le collecteur du transistor et le
radiateur permettra de vérifier si le montage
est correct.
Le pont de diodes préalablement recouvert de
cette pâte sera également fixé sur le radiateur
principal, sur un autre radiateur, ou encore sur
le boîtier si celui-ci est en aluminium
d'épaisseur et de dimension conséquente (au
moins 2mm d'épaisseur).
Le transformateur sera fixé à proximité, afin de
limiter la longueur des câbles de liaisons avec
le pont de diodes. Néanmoins, afin de limiter la
transmission de la chaleur à l'intérieur de
l'alimentation, une aération suffisante doit être
prévue, surtout pour les transformateurs
standards dont l'échauffement à pleine charge
est très important. Un espace libre doit donc
être prévu sur chacun des côtés du
transformateur. Dans ce but, des entretoises
ou une épaisseur de rondelles plates éviteront
un contact direct du transformateur avec la
surface sur laquelle il est fixé.
Le câblage :
Le secondaire du transformateur principal sera
relié au pont de diodes par du câble électrique
de section importante.
L'approvisionnement de ce type de câble
n'est pas toujours facile et du câble rigide
d'installations électriques conviendra.
La plupart des ponts de diodes carrés
disposent de cosses et les câbles s'y
raccordant seront équipés d'une fiche plate
femelle type auto. Mais pour garantir une très
faible résistance de contact, le câble sera
dans un premier temps soudé et serti sur la
fiche, puis la fiche sera insérée sur la cosse
et un point de soudure complétera le contact.
Un mauvais contact se traduit par un
échauffement au point de contact et une
chute de tension.
Un petit boulon fixé et soudé sur le circuit
imprimé constitue également une excellente
cosse de puissance.
Le pôle plus du pont de diodes est ensuite
relié aux condensateurs de filtrage. De cette
carte partiront la tension positive redressée et
filtrée à raccordée avec les collecteurs des
transistors T2 à T4, ainsi que la masse de
l'alimentation, toujours avec un câble de forte
section.
Par contre à partir de cette même carte, un
câble de moyenne section établira la liaison
entre l'alimentation secondaire redressée et
filtrée et le régulateur.
Un câble identique assurera le retour du
+13,8V de la douille positive vers la diode D4
de cette même carte.
Les collecteurs des trois transistors T2, T3 et
T4 seront reliées par un fil de cuivre rigide de
forte section. Pour obtenir cette liaison, une
cosse sera en contact avec le boîtier des
transistors TOP3, mais sera traversée le
canon isolant.
Pour finir, des câbles de forte section
établiront les liaisons entre les douilles
+13,8V et 0V et les sorties de l'alimentation.
Les réglages :
Au préalable le fusible F1, est remplacé par
une ampoule 12V de phare automobile, les
ajustables sont réglés à mi-course et un
voltmètre est placé en parallèle sur les sorties
+13,8V et 0V.
Après avoir très sérieusement vérifié
l'interconnexion des différents éléments
constitutifs de l'alimentation stabilisée (plus
particulièrement les éléments polarisés), le
secteur est branché et la tension de sortie est
aussitôt vérifiée. La tension mesurée doit être
approximativement comprise entre 12V et
15V.
Si la tension mesurée s'avérait faible ou
nulle, coupez immédiatement le secteur et
vérifiez vos branchements.
Si une tension correcte est lue sur le voltmètre,
la vérification de la protection contre une
surtension peut être entreprise.
Toujours avec une ampoule à la place du
fusible la résistance R6 est court-circuitée. Dès
lors l'ampoule et la DEL doivent s'allumer car
une tension de sortie excessive est apparue.
Une fois ce test accompli, l'alimentation est
débranchée, l'ampoule est connectée en
parallèle sur la sortie et le fusible F1 reprend
sa place. L'alimentation est de nouveau
branchée et l'ampoule doit s'éclairer. La
tension de sortie est alors réglée à 13,8V (ou
autre valeur de l'ordre de 12V) à l'aide de la
résistance ajustable Aj1.
La limitation de courant nécessite un
ampèremètre pour son réglage et d'une charge
suffisante qui peut être obtenue par la mise en
parallèle de plusieurs résistances de forte
puissance ou par des ampoules auto en
parallèle sur la sortie.
Pour obtenir la limitation de courant souhaitée,
l'ajustable Aj1 est d'abord en butée à droite
(curseur vers les transistors).
Puis le nombre d'éléments de charge est
augmenté jusqu'à ce que l'ampèremètre
affiche la valeur du courant maximal voulu.
A partir de ce constat, le curseur de la
résistance ajustable Aj1 est ramenée vers la
gauche, lentement jusqu'à ce qu'une
diminution de la tension ou du courant affichée
ou encore de la luminosité des ampoules, soit
observée.
Remarques :
Selon la qualité du fusible rapide F1, dont
dépend la vitesse de sa fusion, la protection
produite par la diode D3 et le thyristor TH1
peut conduire à la destruction de ces
composants. En effet, si dans leur action, le
courant de court-circuit a duré trop longtemps,
ces composants seront en court-circuit après
avoir rempli leur office. Mais il est préférable
de devoir remplacer un composant de
quelques francs qu'un appareil de plusieurs
centaines de francs.
Pour une utilisation de l'alimentation en
chargeur de batterie 12V au plomb, la
limitation
du
courant
dépend
des
caractéristiques de la batterie et de son état de
charge. On convient généralement d'un
courant de charge 10 fois inférieur à la
capacité nominale de la batterie. D'autre part
la tension de sortie sera réglée à 13,8V.
Pour une utilisation de l'alimentation
stabilisée en mode floating, la tension de
sortie est réglée entre 13,2 et 13,5V, ce qui
correspond à une tension de floating des
batteries de 2,2 à 2,25 V / élément. Une
batterie de 12 V contient 6 éléments.
Pour rappel, le floating est une méthode de
charge de batteries stationnaires qui consiste à
maintenir la pleine charge permanente en
appliquant constamment une faible tension
continue aux bornes de la batterie.
Hervé CADINOT
Figure 2 :
Courant
Transformateur TR2
Type transistors ballast
Condensateurs de filtrage
de
Diodes
D1 , D2
sortie
I min
10A
15A
20A
0,2A
0,5A
0,8A
Puissance
5VA
16VA
20VA
Réf.
Rth j-b
TIP 3055
1,39°C/W
2N3055
1,50°C/W
TIP33
1,39°C/W
C1
-
C2
C3
4700µF
4700µF
1N4001
ou
ou
...
6800µF
6800µF
1N4007
1N4001
TIP35
1,00°C/W
2N3772
1,17°C/W
2N3773
1,17°C/W
1N4007
TIP35
1,00°C/W
BY251
2N3771
1,17°C/W
2N3772
1,17°C/W
1500µF
2200µF
10000µF
15000µF
10000µF
15000µF
...
BY255