Une alimentation double symétrique à découpage



Avec le circuit intégré SG3524 nous avons conçu et réalisé une alimentation à découpage DC DC à sortie double symétrique ; elle transforme la tension d’une batterie 12 V (voiture, fourgon, camping-car, etc.) en une tension réglable entre +/–5 V et +/–32 V pour un courant de 2 A par branche. Il est également possible, moyennant une petite modification, d’obtenir une sortie simple positive réglable entre +5 V et +32 V pour un courant de 2 A.

Aujourd’hui tous les appareils électriques/électroniques (ou presque) se doivent d’être portables : on ne supporte plus de devoir s’installer en un lieu fixe –et surtout pas prévu à cet effet– pour y écouter, y regarder, y faire quelque chose ! Se tenir immobile nous évoque sans doute la mort et seul le mouvement trouve désormais grâce à nos yeux, comme s’il était à lui tout seul la Vie même ! Téléphones (de portables ils sont vite devenus mobiles), lecteurs MP3, lecteurs vidéo (tous formats de compression), GPS … jusqu’aux ordinateurs (type Note-Book), marchent avec nous dans les rues, même si pour ces derniers c’est en voiture que nous aimons les utiliser (temps réel oblige et PowerPoint est un medium qui passe si bien auprès du public ou des collègues à former).

Notre réalisation
Mais vous vous demandez peut-être quel rapport entretient ce discours avec le titre de l’article : Une alimentation à découpage ? La réponse est facile : avec cette alimentation DC DC à découpage (elle s’alimente sur n’importe quelle batterie 12 V, comme celle de votre voiture) vous pourrez utiliser tous vos montages électroniques même lorsque, en voyage par exemple, vous ne disposez pas du secteur 230 V mais seulement de la batterie du véhicule.
A partir d’une tension continue de 12 V, en effet, cette alimentation à découpage est en mesure d’alimenter n’importe quel appareil réclamant une tension stabilisée double symétrique entre +/–5 V et +/ 32 V pourvu que le courant consommé ne dépasse pas 2 A par branche.
Et si l’appareil que l’on veut alimenter demande une tension simple positive ? Pas de problème : moyennant une modification mineure (inversion du sens de quatre composants polarisés) vous disposerez –toujours à partir du 12 V– d’une tension stabilisée réglable de 5 à 32 V pour un courant de 4 A cette fois.
Même sans parler des appareils portables, voilà de quoi alimenter un autoradio ou son “booster” quelles que soient la tension ou les tensions réclamées.
L’ordinateur portable, lui, demande une tension simple positive entre 15 et 20 V pour une consommation de 3-4 A.
Si vous venez d’acheter un ordinateur portable d’occasion, dont l’alimentation a disparu dans la tourmente, ce montage va vous aller comme un gant !
De plus, avec cette alimentation, un PC portable et une extension USB ou sans fil type Blue Tooth, vous pourrez utiliser le “notebook” comme GPS. Des foules d’autres applications existent, mais nous préférons laisser un peu de place pour votre imagination ! Cependant, faites tout de même très attention quand vous conduisez : laissez la personne qui est à côté de vous (si c’est vous qui avez le volant), ceinture bien bouclée, s’occuper des appareils ; ne vous laissez pas distraire Si vous êtes seul, ne regardez aucun écran car même celui de l’autoradio peut être fatal.

Figure 1 : Schéma synoptique interne et brochage vu de dessus du pilote à découpage SG3524, que nous avons mis en oeuvre pour obtenir, à partir du 12 V d’une batterie quelconque, une tension double symétrique parfaitement stabilisée et réglable entre +/–5 V et +/–32 V pour un courant de 2 A par branche.

Figure 2 : Brochages vus de face du MOSFET N IRFZ44 et de la diode rapide (“fast”) BYW29. Les brochages du transistor PNP ZTX753 et du transistor NPN ZTX653 sont enrevanche vues de dessous.

Le schéma électrique

Figure 3 : Schéma électrique de l’alimentation à découpage EN1647. Le circuit intégré pilote les MOSFET de manière alternée à travers deux étages amplificateurs de courant constitués par les couples de transistors TR1-TR2 et TR3-TR4 ; un délai de latence empêche que les MOSFET ne conduisent en même temps. Le système PWM (Pulse Width Modulation) utilisé, couplé à l’étage amplificateur d’erreur interne du circuit intégré, permet d’obtenir à la sortie une tension double stable.

Pour concevoir cette alimentation à découpage, dont la figure 3 donne le schéma électrique, nous avons mis en oeuvre un circuit intégré déjà utilisé dans notre Booster pour autoradio EN1516 : nous l’utilisions déjà pour élever la tension 12 V de la batterie du véhicule.
Il s’agit du SG3524, un pilote à découpage qui maintient stable et automatiquement la tension de sortie, afin que cette tension soit indépendante des éventuelles variations du courant consommé par la charge ainsi que de la variation de la tension de la batterie ; pour ce faire, le pilote à découpage utilise le procédé (que vous connaissez bien) PWM (Pulse Width Modulation), soit modulation à largeur d’impulsion.
Nous allons expliquer tout cela en détail en nous appuyant sur le schéma électrique de la figure 3.
Le 12 V de la batterie du véhicule est appliqué à IC1 à travers le filtre composé de C4-L1-C6. Ce filtre a pour rôle d’empêcher que d’éventuelles perturbations produites par l’étage de commutation (découpage) n’atteignent le reste du circuit électrique du véhicule.
En série avec l’alimentation nous avons monté un fusible F1 de 15 A.
Il protège à la fois l’alimentation et la batterie en cas de court-circuit ou toute autre avarie de ce genre. R5 et C7 découplent et filtrent la tension d’alimentation de IC1.
Cette tension alimente également l’étage des quatre transistors TR1-TR2-TR3-TR4, lesquels pilotent les grilles (gate) des MOSFETS finaux MFT1-MFT2.
C’est donc sur la broche 15 de IC1 qu’arrive le 12 V de la batterie et, comme le montre le schéma synoptique interne de la figure 1, il en alimente tous les étages internes, y compris le stabilisateur (régulateur de tension) 5 V. La sortie de ce régulateur est reliée à la broche 16, à travers laquelle la tension de 5 V sort pour rentrer (après être passée à travers le pont R1-R2) par la broche 2, soit l’entrée non inverseuse d’un amplificateur opérationnel interne utilisé comme amplificateur d’erreur.
Cet amplificateur d’erreur a pour rôle de maintenir constante la tension de sortie, tension au demeurant réglable de +/–5 à +/–32 V grâce au trimmer R10, monté entre la sortie de la branche positive et la broche 1 de IC1, qui correspond justement à l’entrée inverseuse de ce même amplificateur d’erreur.
Si la tension de sortie de l’alimentation varie de quelques mV, la broche 1 détecte la variation et restaure immédiatement la tension fixée à l’aide du trimmer R10.
Au moyen d’un comparateur interne, le circuit intégré compare le signal en dent de scie fourni par l’oscillateur avec celui effectivement émis par le transformateur final, à travers l’amplificateur d’erreur.
La fréquence de travail de cet étage oscillateur dépend des valeurs de résistance et de capacité appliquées aux broches 6-7 de IC1.
En tenant compte des tolérances des composants et du fait que la fréquence de sortie de l’oscillateur est divisée par deux par un FLIP-FLOP, la fréquence de commutation tourne autour de 38 kHz, valeur optimale pour un bon rendement de l’étage tout entier.
Les deux sorties Q et Q (barre) du FLIPFLOP fournissent en sortie deux états logiques opposés, lesquels pilotent les deux portes NOR que commandent les deux transistors internes. Les collecteurs de ces transistors sont alimentés par les broches 12 et 13 du circuit intégré et fournissent, sur les broches de sortie 11 et 14, un signal déphasé de 180°.
Le circuit intégré pilote ainsi alternativement les couples de transistors reliés à ses broches de sortie : à travers la broche 14, il pilote le couple TR1-TR2 et, à travers la broche 11, le couple TR3-TR4, comme le montre la figure 3. A leur tour les transistors amplifient en courant le signal sortant du circuit intégré et pilotent les MOSFETS de puissance MFT1-MFT2 reliés au primaire du transformateur T1.
Vous aurez probablement reconnu –en tout cas les plus chevronnés– la configuration classique, soit la “forward” de type “push-pull”.
Les deux transistors MOSFETS de puissance MFT1-MFT2 sont en effet pilotés alternativement par le circuit intégré IC1 SG3524, lequel introduit de plus un temps mort (ou délai de latence) entre la commutation des deux MOSFETS, ce qui permet d’éviter que tous deux entrent en même temps en conduction (ce qui aurait des conséquences désastreuses) !
Les grilles des MOSFETS ne sont pas pilotées directement par les broches de sortie du circuit intégré, mais à travers deux étages amplificateurs de courant (un pour chaque sortie) composés des couples TR1-TR2 et TR3-TR4.
On peut ainsi accélérer la phase de conduction/non conduction des deux MOSFETS, car ces composants ont la plupart de leurs pertes justement lors de cette phase.
Bien que les MOSFETS soient considérés comme des composants à haute impédance d’entrée et que donc, en théorie, ils ne consomment aucun courant par leur grille, en réalité cela n’est vrai qu’en régime statique, car la grille est constituée essentiellement d’un condensateur de capacité 1 à 2 nF.
Il est bien évident que lorsque la capacité de la grille doit être chargée, afin de porter le MOSFET en conduction, elle consomme un certain courant sous forme d’un pic (ce courant s’inverse quand il doit être bloqué).
Par conséquent, plus importante sera la capacité de l’étage pilote à fournir du courant, plus rapidement la capacité de la grille se chargera et fera conduire le MOSFET, ce qui réduira d’autant la perte de commutation et donc également l’échauffement (qui n’est rien d’autre que l’effet Joule de cette perte).
La succession des cycles de conduction des MOSFETS nous permet de prélever, sur les deux secondaires du transformateur T1, deux tensions alternatives. La tension alternative du premier secondaire (voir figure 3) est redressée par les diodes DS1-DS2, puis filtrée par la self JAF1 et lissée par les condensateurs C9 et C10.
La tension alternative du second secondaire est redressée par les diodes DS3-DS4, filtrée par la self JAF2 et lissée par par les condensateurs C11 et C12. Nous pouvons ainsi prélever en sortie une tension double réglable entre +/–5 et +/–32 V pour un courant de 2 A au maximum.

Modification pour obtenir une tension simple positive
Le schéma électrique de la figure 3 peut être modifié (le schéma électrique de la modification est représenté en figure 8) pour obtenir en sortie une tension simple positive réglable de 5 V à 32 V pour un courant maximal de 4 A.
Ce sera le cas si vous voulez par exemple alimenter à partir de la prise allume-cigare de votre véhicule un ordinateur portable.
Pour mener à bien cette modification, vous devrez au cours du montage insérer les diodes DS3-DS4 et les électrolytiques C11-C12, dans la position inverse (inversion de sens du montage) de celle qui est sérigraphiée sur le circuit imprimé. Rien de plus simple en vérité.
Avec cette modification, les deux secondaires deviennent comme deux alimentations reliées en parallèle avec pour effet une puissance doublée, c’est-à-dire un courant maximal double (4 A au lieu de 2 A) et ce, bien sûr, sans changement de la plage de tension réglable qui reste de 5 à 32 V.
Avec une disponibilité de 4 A, vous pouvez alimenter les PC portables les plus “voraces” auront leur content ! En ce qui concerne la réalisation pratique de cette modification, voir le paragraphe correspondant ci-après.

La réalisation pratique
Version sortie double symétrique
Quand vous avez réalisé le circuit imprimé double face dont les figures 5b-1 et 5b-2 donnent les dessins à l’échelle 1 ou que vous vous l’êtes procuré, fabriquez la self L1, comme le montre la figure 4, en bobinant dix spires jointives sur un support rigide cylindrique (comme une queue de foret) de 10 millimètres de diamètre (utilisez du fil de cuivre émaillé de 1 millimètre de diamètre) ; n’oubliez pas de retirer le support (!) et de racler l’émail aux extrémités du fil avant de les étamer en prévision de leur soudure dans les trous du circuit imprimé.
Insérez et soudez en premier lieu le support du circuit intégré et vérifiez bien ces premières soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudure froide collée).
Vous n’insèrerez le circuit intégré qu’après avoir installé la platine dans son boîtier plastique.
Montez ensuite tous les composants en commençant par les résistances et les condensateurs polyesters, puis le trimmer R10 et les quatre transistors (attention à la polarité : partie arrondie vers T1 pour TR1-TR2 et vers R9 pour TR3-TR4).
Montez les trois selfs, comme le montre la figure et les électrolytiques (attention à la polarité de chacun d’eux).
Attention, ne montez pas C11 et C12 si vous optez pour la version à sortie simple positive.
Montez le porte-fusible (F1 15 A), ainsi que les quatre diodes rapides (en boîtier TO220, la semelle métallique sert de repère-détrompeur) en respectant bien la polarité : semelles vers le centre de la platine pour toutes.
Attention, ne montez pas DS3 et DS4 si vous optez pour la version à sortie simple positive.
Prenez les deux dissipateurs et sur chacun montez un MOSFET à l’aide d’un petit boulon : réservez ces deux modules.
Montez le transformateur T1 : vous ne pouvez le monter que dans le bon sens grâce aux ergots plastiques servant de détrompeur.
Enfilez maintenant les pattes de chacun des MOSFETS dans les trous du circuit imprimé jusqu’à ce que la base des dissipateurs s’appuie sur la surface du circuit imprimé.
Maintenez fermement cet appui pendant que vous soudez les trois pattes.
Quand c’est terminé, vérifiez la bonne orientation et la valeur de tous les composants, faites attention aux polarités et à la qualité de toutes les soudures.
Note : si vous avez choisi la version à sortie simple positive, passez par le paragraphe suivant Version sortie simple positive ; sinon allez au paragraphe de dessous L’installation dans le boîtier.

Version sortie simple positive
Vous êtes passés par le paragraphe précédent et avez monté tous les composants sauf les diodes rapides (en boîtier TO220 avec semelle repèredétrompeur) DS3-DS4 et les condensateurs électrolytiques C11-C12.
Reportez-vous à la figure 9 et montez C11 avec la patte + (c’est la plus longue des deux) vers le bas de la platine (vers vous en fait) ; montez le condensateur C12 de la même manière, la patte + vers vous.
Prenez DS4 (deux pattes) et montez-la semelle métallique vers vous également ; prenez enfin DS3 et montez-la encore semelle métallique vers vous.
Pas moyen de se tromper !
Il ne vous reste qu’à réaliser le pont (strap) entre la première (en bas du dessin) et la troisième (en haut du dessin) section du bornier à 3 bornes : réalisezla avec du fil de cuivre gainé plastique.
Avec du fil (rouge pour le + et noir pour le –), réalisez la sortie sans vous tromper de polarité (le fil noir – GND au centre du bornier et le fil rouge +V en haut).

L’installation dans le boîtier
Reportez-vous aux figures 7 et 10 et fixez tout d’abord la platine sur le fond du boîtier plastique spécifique à l’aide de quatre entretoises autocollantes.
Insérez maintenant le circuit intégré IC1 dans son support, repère-détrompeur en U vers le haut, soit vers R2.
Prenez l’autre partie du boîtier et percez des trous (3 ou 4 mm de diamètre) d’aération sur les quatre côtés et sur le dessus, comme le montre la figure 10.
Vissez les fils d’entrée (venant de la batterie du véhicule ou de l’allumecigare : prenez du fil rouge/noir de gros diamètre) et de sortie (deux en version sortie simple positive ou trois en version sortie double symétrique) aux borniers respectivement à deux et trois bornes.
Avant d’utiliser cette alimentation, procédez au réglage de la tension de sortie en fonction de vos besoins.

Le réglage de la tension de sortie
Reliez un multimètre réglé sur Vcc entre les bornes +V et GND du bornier de sortie à trois bornes et ajustez la tension de sortie.
Alimentez l’entrée du circuit à partir d’une batterie 12 V. Tournez, avec un petit tournevis, l’axe du trimmer R10 jusqu’à lire sur le multimètre la tension voulue.
Cette procédure de réglage vaut pour les deux versions. En version double symétrique la branche négative aura exactement la même tension que la positive. Si vous avez réglé 16 V vous aurez d’un côté +16 V et de l’autre –16 V. En version simple … c’est encore plus simple !
Montez au bout des fils de sortie (deux ou trois selon version) le connecteur exigé par votre utilisation (l’appareil à alimenter).
Votre alimentation à découpage est prête à fonctionner.

Figure 4 : Pour réaliser la self L1, bobinez 10 spires jointives sur un support provisoire cylindrique constitué par exemple par une queue de foret métal de 10 mm de diamètre ; prenez du fil émaillé de 1 mm de diamètre. N’oubliez pas de gratter l’émail des deux extrémités du fil sur 10 mm environ et de les étamer.

Figure 5a : Schéma d’implantation des composants de l’alimentation à découpage EN164.
Attention au sens de montage des composants polarisés (électrolytiques, diodes, transistors et MOSFETS). Le transformateur est muni d’un détrompeur, montez-le avant les MOSFETS. Au moment de monter les MOSFETS, fixez-les d’abord sur leurs dissipateurs à l’aide de petits boulons, enfilez leurs pattes dans les trous du circuit imprimé jusqu’à ce que les dissipateurs prennent appui à sa surface et soudez-les. N’insérez le circuit intégré dans son support qu’une fois la platine installée dans son boîtier plastique spécifique (repère-détrompeur en U vers R2).


Figure 5b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de l’alimentation à découpage EN1647, côté soudures.

Figure 5b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la platine de l’alimentation à découpage EN1647, côté composants.

Figure 6 : Photo d’un des prototypes de la platine de l’alimentation à découpage E 1647. Les dissipateurs sont de petites dimensions car, grâce au principe de la commutation, les MOSFETS chauffent peu.

Figure 7 : Photo d’un des prototypes de la platine de l’alimentation à découpage E1647 fixée sur le fond du boîtier plastique spécifique à l’aide de quatre entretoises autocollantes. Vous devrez pratiquer dans la partie supérieure de ce boîtier des trous d’aération, comme le montre la figure 10.

Figure 8 : Pour modifier votre alimentation à découpage afin qu’elle fournisse une tension simple positive réglable de +5 V à +32 V pour un courant maximum de 4 A, il suffit d’inverser la polarité des composants dessinés en bleu : DS3-DS4 et C11-C12.

Figure 9 : Partie du schéma d’implantation des composants affecté par cette modification. N’oubliez pas de ponter les première et troisième sections du bornier.

Figure 10 : Photo d’un des prototypes de l’alimentation à découpage installée dans son boîtier plastique spécifique une fois percés les trous d’aération indispensables.


Liste des composants EN1647
R1 ........ 4,7 k
R2 ........ 4,7 k
R3 ........ 10 k
R4 ........ 4,7 k
R5 ........ 4,7 1/2 W
R6 ........ 4,7 k
R7 ........ 4,7 k
R8 ........ 1 k
R9 ........ 1 k
R10 ....... 50 k trimmer
C1 ........ 100 nF polyester
C2 ........ 3,3 nF polyester
C3 ........ 10 nF polyester
C4 ........ 1 000 μF électrolytique
C5 ........ 100 nF polyester
C6 ........ 100 nF polyester
C7 ........ 100 μF électrolytique
C8 ........ 1 000 μF électrolytique
C9 ........ 1 000 μF électrolytique
C10 ....... 1 000 μF électrolytique
C11 ....... 1 000 μF électrolytique
C12 ....... 1 000 μF électrolytique
DS1 ....... BYW.29
DS2 ....... BYW.29
DS3 ....... BYW.29
DS4 ....... BYW.29
TR1 ....... NPN ZTX653
TR2 ....... PNP ZTX753
TR3 ....... NPN ZTX653
TR4 ....... PNP ZTX753
MFT1 ...... MOSFET N IRFZ44
MFT2 ...... MOSFET N IRFZ44
IC1 ....... SG3524
L1 ........ voir texte
JAF1 ...... 200 μH VK2702
JAF2 ...... 200 μH VK2702
F1 ........ fusible 15 A
T1 ........ transformateur mod. TM1647

Note : à part R5, toutes les résistances sont des 1/4 W.

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