Laboratory DC power generator

Une alimentation de laboratoire positive et négative 1.2V à 20V 333mA que j'ai faite en 2011. Il s'agit d'une adaptation d'un projet proposé par le livre de Jean-Pierre Oehmichen. J'ai réalisé moi-même le schéma, le circuit imprimé (avec insoleuse UV et gravure au perchlorure), la pose des composants:

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Description

Il s'agit d'une alimentation de laboratoire fournissant une tension de 1.2V à 20V environ et de -1.2V à -20V environ. Chaque sortie peut être réglée indépendamment et peut débiter une intensité de 333mA max. On veillera toutefois se limiter à 250mA pour les tensions inférieures à 7V, ou tout au moins à ne pas demander une telle intensité longtemps, car les radiateurs sont un peu faibles.

Schéma

Généralités. Les régulateurs de tensions LM317 (positif) et LM337 (négatif) maintiennent toujours entre les broches OUT et ADJ une tension de 1.25V. En connectant les deux broches par l'intermédiaire d'un diviseur de tension, on peut faire varier la tension de sortie entre 1.25V et plus de 35V (la tension limite d'entrée est de 40V).

Redressement. T1 fournit une tension alternative sur deux secondaires, qu'on redresse via les diodes D1 à D4 selon un pont va-et-vient, doublé pour avoir une tension redressée positive (D1 et D2) et une tension redressée négative (D3 et D4). De fait, en suivant le parcours du courant d'un circuit (circuit positif ou négatif), on remarque que celui-ci ne parcours qu'un seul enroulement à la fois, alternativement, pendant que le courant de l'autre circuit parcours l'autre enroulement. On peut donc choisir un transformateur qui peut fournir une intensité égale dans chaque enroulement, et cette intensité maximale sera l'intensité maximale qu'on pourra demander à chaque circuit (positif ou négatif). En prenant un 2x 15V 10VA, on aura donc une tension redressée de \(15\sqrt{2}-0.6=20.6V\) (0.6 est la chute de tension dans la diode de redressement) et une intensité dans chaque circuit d'un peu plus de 330mA.

Les fusibles F1 et F2 protègent le transformateur. Il faut prendre des temporisés de 400mA (comme le recommande le fabricant du transformateur, Marschner), et non des fusibles rapides, car l'intensité demandé par C1 et C2, lors de leur chargement, dépasse les 400mA pendant quelques ms.

Si on demande une intensité d'environ 330mA à chaque circuit, alors, en prenant pour C1 et C2 des condensateurs de 6200μA, on a une variation de tension de l'ordre de 0.5μV, ce qui est tout à fait négligeable. On a donc une tension redressée de 20.5V assurée.

Régulation de tension. On ne décrit ici que la partie positive, la négative étant similaire (sauf pour le brochage du LM337). C3 est un condensateur au tantale, selon les recommandations des notices. C5, D5, D7, R1, et P1 sont implémentés selon les recommandations des notices. R1 et P1 forment un diviseur de tension qui permettent de régler la tension de sortie. P1 est choisi pour que la tension varie entre 1.2V (P1 à 0Ω) et un peu plus de 20V (P1 à son maximum). D5 protège le circuit, car si l'alimentation du circuit est coupée, alors C7 fourni une tension à la sortie du régulateur qui est supérieure à celle de l'entrée du régulateur, ce qui est destructeur. D5 permet donc de maintenir une tension similaire (quoique légèrement inférieure de 0.6V). D7 fait la même chose pour C5 et la broche ADJ du régulateur. C7 est un condensateur qui stabilise la tension de sortie (on voit bien la différence d'aspect de la tension avec un oscilloscope). Les notices recommandes 10μF, Oehmichen recommande 220μF, j'ai pris cette dernière valeur.

Sur le circuit, P1 et P2 sont implémentés de façon à ce que leur sens de rotation soient inversés (d'un côté pour le positif, de l'autre côté pour le négatif). Si on ne soude pas les potentiomètres sur le CI, on peut de toute façon choisir une autre implémentation.

Voltmètre. Il est prévu qu'un voltmètre à aiguille (qui ne nécessite pas d'alimentation) soit utilisé pour la lecture des deux tensions, positive et négative. L'utilisation d'un interrupteur double permet de n'utiliser qu'un seul voltmètre pour les deux tensions (mais il faut inverser les connexions pour la tension négative par rapport à la positive, car le voltmètre à aiguille n'accepte pas l'inversion de polarité).

Circuit imprimé

Ce circuit a été fait avec l'intention de mettre le circuit dans une boîte de 16x9.5x6cm. Comme il n'y a pas de rainure dans le fond de la boîte pour bloquer le circuit, il faut ajouter des vis de 4mm de diamètre et de 5cm de long (hauteur de la boîte) afin de maintenir le circuit à une certaine hauteur et afin d'éviter qu'il ne bouge si on retourne la boîte. Ces vis ne sont pas vissées dans la boîte, elles ne sont fixées qu'au circuit (voir photos). La vis près des condensateurs a été supprimé, car il faut décaler celui-ci pour pouvoir fermer le couvercle de la boîte une fois le voltmètre en place.

Radiateur et puissance admissible: Les régulateurs de tensions demandent un radiateur si on dépasse une certaine puissance. La puissance dissipée est \((u_{in}-u_{out}) \cdot i_{out}\). Si on choisi un petit radiateur qui dissipe environ 15°C/W, et sachant que \(R_{th j_{mb}}\) (3 chez certains constructeurs), on a, avec \(T_j = 100\) (par sécurité, en fait 125°C) et \(T_a=35\) (boîtier aéré) et on considérant que \(R_{th mb-h}\) (pas de plaquette d'isolation, et pâte thermoconductrice), \(P=\frac{100-35}{19.1}=3.4\). On pourra donc dissiper sans problème 3.4W sur chaque circuit (positif et négatif). Si on pousse la température de la jonction jusqu'à 125°C, on pourra monter jusqu'à 4.7W. (On a \(P=\frac{u_{in} - u_{out}}{i_{out}}\).)

On peut alors établir le graphique suivant, montrant quelle intensité on peut atteindre pour une tension de sortie donnée, en respectant la puissance maximale que le régulateur peut dissiper avec son radiateur:

On veillera donc, pour les petites tensions de sortie (< 7V), à ne pas dépasser les 250mA, ou tout au moins pas sur une longue période.

Schémas et circuits

Sources

 

© 2022 Bruno Oberle

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