CONCEPTION D'ALIMENTATION ANALOGIQUE DE BASE

Il y a le vieil adage : « Vous pouvez donner un poisson à un homme et il mangera un jour ou vous pouvez apprendre à un homme à pêcher et il mangera pour toujours. Il existe de nombreux articles qui donnent au lecteur une conception spécifique pour la construction d'une alimentation électrique, et il n'y a rien de mal avec ces conceptions de livres de cuisine. Ils ont souvent de très bonnes performances. Cependant, ils n'enseignent pas aux lecteurs comment concevoir eux-mêmes une alimentation électrique. Cet article en deux parties commencera par le début et expliquera chaque étape nécessaire pour construire une alimentation analogique de base. La conception se concentrera sur le régulateur à trois bornes omniprésent et inclura un certain nombre d'améliorations à la conception de base.

Il est toujours important de se rappeler que l'alimentation électrique, que ce soit pour un produit particulier ou en tant qu'équipement de test général, peut électrocuter l'utilisateur, déclencher un incendie ou détruire l'appareil qu'elle alimente. Évidemment, ce ne sont pas de bonnes choses. Pour cette raison, il est essentiel d'aborder cette conception avec prudence. Fournir beaucoup de marge pour les composants. Une alimentation bien conçue est une alimentation qui n'est jamais remarquée.

CONVERSION DE PUISSANCE D'ENTRÉE

La figure 1 montre la conception fondamentale d'une alimentation analogique type. Il se compose de trois composants principaux : la conversion et le conditionnement de la puissance d'entrée ; rectification et filtrage; et la réglementation. La conversion de puissance d'entrée est généralement un transformateur de puissance et est la seule méthode considérée ici. Cependant, il y a quelques points importants à mentionner.

FIGURE 1. Une alimentation analogique de base se compose de trois parties. Les deux premiers sont discutés dans cet article et le dernier dans le prochain épisode.

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La première est que 117 VAC (Volts Alternating Current) est vraiment une mesure RMS (Root Mean Square). (Notez que j'ai vu une alimentation domestique ordinaire spécifiée entre 110 VAC et 125 VAC. Je viens de mesurer la mienne et j'ai trouvé qu'elle était précisément de 120.0 VAC.) Une mesure RMS d'une onde sinusoïdale est bien inférieure à la tension de crête réelle et représente la tension CC (courant continu) équivalente nécessaire pour fournir la même puissance.

La conversion RMS varie en fonction de la forme de l'onde ; pour une onde sinusoïdale, la valeur est de 1.414. Cela signifie que l'écart autour de zéro volt est en fait de 169.7 volts (pour mon alimentation 120 VAC). La puissance passe de -169.7 volts à +169.7 volts à chaque cycle. Par conséquent, la tension crête à crête est en réalité de 339.4 volts !

Cette tension devient particulièrement importante lors de l'ajout de condensateurs de dérivation aux lignes électriques principales pour supprimer le bruit d'entrée ou de sortie de l'alimentation électrique (situation courante). Si vous pensez que la tension réelle est de 120 volts, vous pouvez utiliser des condensateurs de 150 volts. Comme vous pouvez le voir, ce n'est pas correct. La tension de fonctionnement minimale absolue pour vos condensateurs est de 200 volts (250 volts, c'est mieux). N'oubliez pas que si vous vous attendez à voir du bruit/des pointes sur la ligne, vous devez ajouter cette tension de bruit/de pointe à la tension de crête.

La fréquence d'entrée est universellement de 60 Hz aux États-Unis. En Europe, le 50 Hz est courant. Les transformateurs conçus pour 60 Hz fonctionnent généralement bien sur 50 Hz et vice versa. De plus, la stabilité de fréquence de la ligne électrique est généralement excellente et rarement prise en compte. Occasionnellement, vous pouvez trouver des transformateurs 400 Hz disponibles. Ce sont généralement des appareils militaires ou aéronautiques et ne sont généralement pas adaptés à une utilisation sur une alimentation 50/60 Hz (ou vice versa).

La sortie du transformateur est également spécifiée en tant que tension efficace. De plus, la tension spécifiée est la tension minimale attendue à pleine charge. Il y a souvent une augmentation d'environ 10 % de la puissance nominale à vide. (Mon transformateur 25.2 volts/deux ampères mesure 28.6 volts sans charge.) Cela signifie que la tension de sortie réelle à vide/crête pour mon transformateur 25.2 volts est de 40.4 volts ! Comme vous pouvez le voir, il est toujours important de se rappeler que les tensions RMS nominales pour le courant alternatif sont sensiblement inférieures aux tensions de crête réelles.

La figure 2 fournit une conversion de puissance d'entrée typique et une conception de conditionnement. Je préfère utiliser un interrupteur bipolaire bien que ce ne soit pas absolument nécessaire. Il protège contre les prises électriques mal câblées (ce qui est rare aujourd'hui) ou les câbles d'alimentation mal câblés dans l'alimentation elle-même (beaucoup plus courante). Il est essentiel que lorsque l'interrupteur d'alimentation est éteint, le fil chaud soit déconnecté de l'alimentation électrique.

FIGURE 2. Le conditionnement d'entrée est assez basique, mais il faut se rappeler que la tension RMS n'est pas la même que la tension de crête. La tension de crête de 120 VAC RMS est d'environ 170 volts.

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Le fusible (ou disjoncteur) est nécessaire. Son objectif principal est de prévenir les incendies car sans cela, un transformateur ou un court-circuit primaire permettra à des courants massifs de circuler, ce qui fera rougir ou même chauffer les pièces métalliques. C'est généralement un type à soufflage lent évalué à 250 volts. Le courant nominal doit être environ le double de ce que le transformateur peut s'attendre à tirer.

Par exemple, le transformateur à deux ampères de 25.2 volts mentionné ci-dessus tirera environ 0.42 ampères de courant primaire (25.2 volts/120 volts x deux ampères). Donc, un fusible d'un ampère est raisonnable. Un fusible dans le secondaire sera discuté dans le prochain article.

Les condensateurs de dérivation aident à filtrer le bruit et sont facultatifs. Étant donné que la tension de crête est d'environ 170 volts, une cote de 250 volts est meilleure qu'une cote marginale de 200 volts. Vous pouvez utiliser un "filtre d'entrée d'alimentation". Il existe plusieurs types de ces unités. Certains contiennent un connecteur d'alimentation standard, un interrupteur, un porte-fusible et un filtre dans un petit emballage. D'autres peuvent n'avoir que certains de ces composants. En règle générale, ceux avec tout sont assez chers, mais les unités excédentaires peuvent généralement être trouvées à des prix très raisonnables.

Il est important de pouvoir déterminer si le circuit primaire est alimenté, c'est pourquoi une veilleuse est utilisée. Deux circuits typiques sont illustrés. La lampe néon est utilisée depuis des décennies. C'est simple et pas cher. Il présente les inconvénients d'être un peu fragile (étant en verre) ; peut clignoter si la résistance est trop grande ; et peut en fait générer du bruit électrique (en raison de la rupture ionique soudaine du gaz néon).

Le circuit LED nécessite également une résistance de limitation de courant. À 10,000 12 hms, environ 20 mA de courant sont fournis. La plupart des LED sont conçues pour un courant maximum de 12 mA, donc 1 mA est raisonnable. (Les LED à haute efficacité peuvent fonctionner de manière satisfaisante avec seulement 2 ou XNUMX mA, de sorte que la résistance peut être augmentée selon les besoins.)

Notez que les LED ont des tensions de claquage inverses très faibles (généralement 10 à 20 volts). Pour cette raison, une deuxième diode est nécessaire. Celui-ci doit pouvoir fonctionner avec au moins 170 volts de PIV (Peak Inverse Voltage). Le 1N4003 standard est évalué à 200 PIV, ce qui ne donne pas beaucoup de marge. Le 1N4004 est évalué à 400 PIV et coûte peut-être un centime de plus. En le plaçant en série avec la LED, le PIV global est de 400 plus le PIV LED.

RECTIFICATION ET FILTRAGE

Les figures 3, 4 et 5 montrent les circuits de redressement les plus courants avec la forme d'onde de sortie affichée ci-dessus. (Le condensateur de filtrage n'est pas affiché car en l'ajoutant, la forme d'onde se transforme en quelque chose comme une tension continue.) Il est utile d'examiner ces trois circuits de base pour identifier leurs forces et leurs faiblesses.

La figure 3 montre le redresseur demi-onde de base. La seule caractéristique rédemptrice de ceci est qu'il est très simple, n'utilisant qu'un seul redresseur. La mauvaise caractéristique est qu'il n'utilise que la moitié du cycle d'alimentation, ce qui rend le rendement théorique du circuit inférieur à 50% juste pour démarrer. Souvent, les alimentations à redresseur demi-onde ne sont efficaces qu'à 30 %. Étant donné que les transformateurs sont des articles coûteux, cette inefficacité est très coûteuse. Deuxièmement, la forme d'onde est très difficile à filtrer. La moitié du temps, aucune alimentation ne vient du transformateur. Le lissage de la sortie nécessite des valeurs de capacité très élevées. Il est rarement utilisé pour une alimentation analogique.

FIGURE 3. Le circuit redresseur demi-onde est simple mais il produit une forme d'onde de sortie médiocre qui est très difficile à filtrer. De plus, la moitié de la puissance du transformateur est gaspillée. (Notez que les condensateurs de filtrage sont omis pour plus de clarté car ils modifient la forme d'onde.)

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Une chose intéressante et importante se produit lorsqu'un condensateur de filtrage est ajouté à un circuit redresseur demi-onde. Le différentiel de tension à vide double. En effet, le condensateur stocke l'énergie de la première moitié (partie positive) du cycle. Lorsque la seconde moitié se produit, le condensateur maintient la tension de crête positive et la tension de crête négative est appliquée à l'autre borne, ce qui fait que le condensateur et la diode voient une tension crête à crête complète. Ainsi, pour un transformateur de 25.2 volts ci-dessus, la tension de crête réelle vue par ces composants peut être supérieure à 80 volts !

La figure 4 (circuit supérieur) est un exemple de circuit redresseur à deux alternances/prise centrale typique. Lorsque cela est utilisé, dans la plupart des cas, cela ne devrait probablement pas l'être. Il fournit une belle sortie qui est entièrement rectifiée. Cela rend le filtrage relativement facile. Il n'utilise que deux redresseurs, donc c'est assez bon marché. Cependant, il n'est pas plus efficace que le circuit demi-onde présenté ci-dessus.

FIGURE 4. La conception pleine onde (en haut) produit une belle sortie. En redessinant le circuit (en bas), on voit qu'il ne s'agit en réalité que de deux redresseurs demi-onde connectés ensemble. Encore une fois, la moitié de la puissance du transformateur est gaspillée.

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Cela peut être vu en redessinant le circuit avec deux transformateurs (figure 4 en bas). Lorsque cela est fait, il devient clair que la pleine onde n'est en réalité que deux circuits demi-onde connectés ensemble. La moitié de chaque cycle d'alimentation du transformateur n'est pas utilisée. Ainsi, le rendement théorique maximum est de 50 % avec des rendements réels de l'ordre de 30 %.

Le PIV du circuit est la moitié du circuit demi-onde car la tension d'entrée des diodes est la moitié de la sortie du transformateur. La prise centrale fournit la moitié de la tension aux deux extrémités des enroulements du transformateur. Ainsi, pour l'exemple du transformateur de 25.2 volts, le PIV est de 35.6 volts plus l'augmentation à vide qui est d'environ 10 % de plus.

La figure 5 présente le circuit redresseur en pont qui devrait généralement être le premier choix. La sortie est entièrement rectifiée, donc le filtrage est assez facile. Plus important encore, cependant, il utilise les deux moitiés du cycle d'alimentation. C'est la conception la plus efficace et tire le meilleur parti du transformateur coûteux. L'ajout de deux diodes est beaucoup moins coûteux que de doubler la puissance nominale du transformateur (mesurée en "Volt-Amps" ou VA).

FIGURE 5. L'approche du pont redresseur (en haut) permet d'utiliser pleinement la puissance du transformateur et avec un redressement double alternance. De plus, en changeant la référence de masse (en bas), une alimentation à double tension peut être obtenue.

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Le seul inconvénient de cette conception est que la puissance doit passer par deux diodes avec une chute de tension résultante de 1.4 volts au lieu de 0.7 volts pour les autres conceptions. En général, cela ne concerne que les alimentations basse tension où les 0.7 volts supplémentaires représentent une fraction substantielle de la sortie. (Dans de tels cas, une alimentation à découpage est généralement utilisée plutôt que l'un des circuits ci-dessus.)

Comme il y a deux diodes utilisées pour chaque demi-cycle, seule la moitié de la tension du transformateur est vue par chacun. Cela rend le PIV égal à la tension d'entrée de crête ou 1.414 fois la tension du transformateur, ce qui est le même que le circuit pleine onde ci-dessus.

Une caractéristique très intéressante du pont redresseur est que la référence de masse peut être modifiée pour créer une tension de sortie positive et négative. Ceci est montré dans le bas de la figure 5.

Filtrage

Presque tout le filtrage d'une alimentation analogique provient d'un condensateur de filtrage. Il est possible d'utiliser une inductance en série avec la sortie, mais à 60 Hz, ces inductances doivent être assez grosses et coûteuses. Parfois, ils sont utilisés pour les alimentations à haute tension où les condensateurs appropriés sont coûteux.

La formule de calcul du condensateur de filtrage (C) est assez simple, mais vous devez connaître la tension d'ondulation crête à crête (V), le temps de demi-cycle (T) et le courant consommé (I) acceptables. La formule est C=I*T/V, où C est en microfarads, I est en milliampères, T est en millisecondes et V est en volts. Le temps de demi-cycle pour 60 Hz est de 8.3 millisecondes (référence : 1997 Radio Amateur's Handbook).

Il ressort clairement de la formule que les exigences de filtrage sont augmentées pour les alimentations à courant élevé et/ou à faible ondulation, mais cela relève du bon sens. Un exemple facile à retenir est que 3,000 XNUMX microfarads par ampère de courant fourniront environ trois volts d'ondulation. Vous pouvez utiliser différents ratios à partir de cet exemple pour fournir des estimations raisonnables de ce dont vous avez besoin assez rapidement.

Une considération importante est la surtension de courant à la mise sous tension. Les condensateurs de filtrage agissent comme des courts-circuits jusqu'à ce qu'ils soient chargés. Plus les condensateurs sont gros, plus cette surtension sera importante. Plus le transformateur est gros, plus la surtension sera importante. Pour la plupart des alimentations analogiques basse tension (<50 volts), la résistance de l'enroulement du transformateur aide quelque peu. Le transformateur 25.2 volts/deux ampères a une résistance secondaire mesurée de 0.6 ohms. Cela limite l'appel maximal à 42 ampères. De plus, l'inductance du transformateur réduit quelque peu cela. Cependant, il existe toujours une forte surtension potentielle à la mise sous tension.

La bonne nouvelle est que les redresseurs au silicium modernes ont souvent d'énormes capacités de courant de surtension. La famille de diodes standard 1N400x est généralement spécifiée avec un courant de surtension de 30 ampères. Avec un circuit en pont, il y a deux diodes qui le transportent, donc le pire des cas est de 21 ampères chacune, ce qui est inférieur à la spécification de 30 ampères (en supposant un partage de courant égal, ce qui n'est pas toujours le cas). C'est un exemple extrême. Généralement, un facteur d'environ 10 est utilisé, au lieu de 21.

Néanmoins, cette poussée actuelle n'est pas quelque chose à ignorer. Dépenser quelques centimes de plus pour utiliser un pont à trois ampères au lieu d'un pont à un ampère peut être de l'argent bien dépensé.

CONCEPTION PRATIQUE

Nous pouvons maintenant mettre en pratique ces règles et principes et commencer à concevoir une alimentation électrique de base. Nous utiliserons le transformateur de 25.2 volts comme noyau de la conception. La figure 6 peut être considérée comme un composite des figures précédentes mais avec des valeurs de partie pratiques ajoutées. Un deuxième voyant dans le secondaire indique son état. Il montre également s'il y a une charge sur le condensateur. Avec une valeur aussi élevée, il s'agit d'une considération de sécurité importante. (Notez que puisqu'il s'agit d'un signal CC, la diode de tension inverse 1N4004 n'est pas nécessaire.)

FIGURE 6. Conception finale de l'alimentation avec spécifications pratiques des pièces. La régulation du pouvoir est abordée dans l'article suivant.

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Il peut être moins coûteux d'utiliser deux petits condensateurs en parallèle qu'un grand. La tension de fonctionnement du condensateur doit être d'au moins 63 volts ; 50 volts n'est pas une marge suffisante pour le pic de 40 volts. Une unité de 50 volts ne fournit que 25 % de marge. Cela peut convenir pour une application non critique, mais si le condensateur tombe en panne ici, les résultats peuvent être catastrophiques. Un condensateur de 63 volts offre une marge d'environ 60% tandis qu'un appareil de 100 volts donne une marge de 150%. Pour les alimentations, une règle générale est entre 50% et 100% de marge pour les redresseurs et les condensateurs. (L'ondulation doit être d'environ deux volts, comme indiqué.)

Le pont redresseur doit être capable de gérer la surtension initiale élevée, il vaut donc la peine de dépenser un ou deux centimes supplémentaires pour une fiabilité améliorée. Notez que le pont est spécifié par ce que le transformateur peut fournir plutôt que par ce pour quoi l'alimentation est finalement spécifiée. Ceci est fait au cas où il y aurait un court-circuit en sortie. Dans un tel cas, tout le courant du transformateur passera à travers les diodes. N'oubliez pas qu'une panne d'alimentation est une mauvaise chose. Alors, concevez-le pour qu'il soit robuste.

CONCLUSION

Les détails sont une considération importante dans la conception d'une alimentation électrique. Il est essentiel de noter la différence entre la tension efficace et la tension de crête pour déterminer les tensions de fonctionnement appropriées pour l'alimentation. De plus, le courant de surtension initial est quelque chose qui ne peut être ignoré.

Dans la partie 2, nous terminerons ce projet en ajoutant un régulateur à trois bornes. Nous concevrons une alimentation électrique à tension réglable, à courant limité et à usage général avec arrêt à distance. De plus, les principes utilisés pour cette conception peuvent être appliqués à n'importe quelle conception d'alimentation. 

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