Un convertisseur de tension CC de 12 V à 14/28 V

De nombreux appareils ne peuvent être utilisés en voiture ou dans le camping-car parce qu’ils nécessitent une tension d’alimentation de 18, 24 ou 28 volts continus, alors que la tension fournie par une batterie est de seulement 12 volts. En réalisant ce convertisseur d’alimentation, il devient possible d’élever une tension continue de 12 volts à des valeurs comprises entre 14 et 28 volts.


Si l’on vous demandait comment réduire une tension continue, vous répondriez immédiatement qu’il est possible d’utiliser des résistances de chute ou bien des diodes zener ou encore des circuits intégrés régulateurs.
Si l’on vous demandait comment élever une tension continue de 9 ou 12 volts en une tension atteignant jusqu’à 28 volts, la réponse vous semblerait beaucoup moins évidente !
Comme vous êtes nombreux à vouloir savoir, même par simple curiosité, comment élever une tension continue, nous vous présentons un montage simple mais très intéressant.
En lisant cet article, vous apprendrez quelle technique utiliser pour réaliser un circuit capable de fournir, en sortie, une tension supérieure à la tension d’alimentation.

Schéma électrique
Le secret pour élever une tension se trouve dans le circuit intégré UC3843 (voir schéma synoptique de la figure 1). Nous allons vous expliquer comment fonctionne le montage, en commençant justement par ce composant, appelé IC1 sur le schéma électrique de la figure 2.
Ce circuit intégré, fabriqué par Unitrode, est un contrôleur PWM(1), utilisé pour réaliser des alimentations “off-line”(2) de type “fly-back”(3).
(1) PWM = pulse-width modulation modulation par impulsions de largeur variable.
(2) “off-line” = autonome.
(3) “fly-back” = à retour d’impulsion.
En appliquant une résistance entre les broches 4 et 8 (voir R2) ainsi qu’un condensateur entre la broche 4 et la masse (voir C2), son oscillateur interne oscillera à une fréquence bien précise.
Avec les valeurs de R2 et C2 indiquées sur la liste des composants, une fréquence à onde carrée d’environ 50 kHz sort de sa broche 6.
En reliant la porte - ou gate - (G) d’un Mosfet de puissance sur cette sortie, celui-ci deviendra conducteur lorsque l’onde carrée sera au niveau logique 1 et cessera d’être conducteur lorsque l’onde passera au niveau logique 0.
Avec une fréquence d’entrée de 50 kHz, le Mosfet devient, en l’espace d’une seconde, 25 000 fois conducteur et 25000 fois non-conducteur.
Sur la sortie drain (D) du Mosfet est reliée une charge inductive (voir Z1), qui accumule l’énergie quand le Mosfet devient conducteur et qui la libère lorsqu’il cesse de l’être.
La tension fournie par cette charge inductive génère des pointes de surtension pouvant aller jusqu’à dépasser les 50 volts.
Ces pointes de surtension très rapides, en passant à travers la diode DS1, chargent le condensateur électrolytique C9.
Pour obtenir une valeur de tension ne dépassant pas 28 volts mais malgré tout très stable, on applique la tension présente aux bornes du condensateur C9, aux broches 1 et 2 de IC1, chargées de réguler la largeur (duty-cycle) de l’onde carrée appliquée sur la porte (G) du Mosfet.
En tournant le curseur du trimmer R7, on obtiendra en sortie une tension minimale de 14 volts et une tension maximale de 28 volts, indépendamment de la valeur de la tension d’alimentation.
Donc, si nous alimentons le circuit avec une tension de 12 volts, nous pourrons obtenir en sortie une tension minimale de 14 volts et une maximale de 28 volts, seulement en réglant le trimmer R7.
Si la tension d’alimentation descend de 12 à 10 ou 9 volts ou monte à 13 ou 15 volts, on prélèvera sur la sortie de cet élévateur une tension qui restera toujours parfaitement stable sur la valeur de tension choisie.
En effet, le circuit intégré UC3843 se charge de maintenir stable la tension sur la sortie et modifie automatiquement le “duty-cycle” de l’onde carrée sortant de la broche 6.
Si le trimmer est réglé de façon à faire sortir une onde carrée ayant un “duty-cycle” de 50 %, on obtiendra la tension positive maximale en sortie. Plus on diminuera ce “dutycycle”, plus la valeur de la tension de sortie diminuera (voir figure 3).
Après avoir réglé, grâce au trimmer R7, la valeur exacte de la tension de sortie, par exemple sur 15, 18, 24 ou 28 volts, lorsque cette valeur augmentera ou diminuera, les broches de contrôle 1 et 2 de UC3843 s’occuperont de réduire ou d’élargir le “duty-cycle” de façon à ramener la tension de sortie sur la valeur exacte choisie.
La broche 3 du circuit intégré UC3843 et le transistor TR1, évitent que le Mosfet ne soit endommagé en cas de court-circuit.
En complément de la description du schéma électrique, voici quelques données techniques :

Tension d’alimentation minimale .......................... 8 V
Tension d’alimentation maximale .......................... 16 V
Tension de sortie minimale................................ 14 V
Tension de sortie maximale ............................... 28 V
Courant de sortie maximum ................................ 1 A
Courant absorbé au repos ................................. 15 mA
Fréquence PWM ............................................ 50 kHz
Rendement ................................................ 80 %


Figure 1 : Le secret pour élever une tension est contenu dans le circuit intégré UC3843 dont voici le schéma synoptique. Vous pouvez voir, sur la droite, la disposition de ses broches.

Figure 2 : Schéma électrique du convertisseur de tension CC. Pour faire varier la tension de sortie d’un minimum de 14 volts à un maximum de 28 volts, il suffira de tourner le curseur du trimmer R7. Toutes les résistances, sauf R4 et R10, sont des 1/4 de watt. Comme la résistance R10 de 0,25 Ω - 2 W est difficile à trouver, pour obtenir sa valeur, on relie en parallèle quatre résistances de 1 Ω - 1/2 W (voir plan d’implantation en figure 6).

Figure 3 : En tournant le curseur du trimmer R7, le circuit intégré UC3843 variera le “duty-cycle” de l’onde carrée sortant de sa broche 6. Avec un “duty-cycle” de 50 % (voir A), on obtient en sortie la tension maximale de 28 volts. Avec un “duty-cycle” de 37 %, on obtient environ 21 volts et avec un “dutycycle” de 25 %, on obtient 14 volts.

Figure 4 : Après avoir monté tous les composants sur le circuit imprimé, vous devrez l’insérer à l’intérieur de son boîtier plastique. Avant de fixer les quatre douilles, vous devrez retirer leurs bagues isolantes et les placer du côté intérieur du boîtier.

Figure 5a : Plan d’implantation du montage. On obtient la valeur de la résistance R10 (0,25 Ω - 2 W) en reliant en parallèle quatre résistances de 1 Ω - 1/2 W.

Figure 5b : Dessin du circuit imprimé simple face à l’échelle 1.

Figure 6 : Sur cette photo, vous pouvez voir comment se présentera votre circuit, une fois le montage terminé. S’agissant du prototype final, le circuit imprimé n’est pas encore sérigraphié.

Figure 7 : Sur le dessin, les connexions du transistor BC547 sont vues de dessous tandis que celles de la diode BYW29 et du Mosfet IRF520 (qui peut être remplacé par un IRF522), sont vues de face. Le Mosfet est fixé sur un petit radiateur de refroidissement (voir figure 6).

Liste des composants LX.1427
R1 = 15 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 4,7 kΩ
R4 = 1 Ω - 1/2 W
R5 = 150 kΩ
R6 = 8,2 kΩ
R7 = 10 kΩ trimmer
R8 = 100 kΩ
R9 = 82 kΩ
R10 = 0,25 Ω 2 W (4 x 1 Ω - 1/2 W)
C1 = 47 nF polyester
C2 = 3,3 nF polyester
C3 = 1 nF polyester
C4 = 470 μF électrolytique
C5 = 100 nF polyester
C6 = 2,2 nF polyester
C7 = 470 μF électrolytique
C8 = 100 nF polyester
C9 = 100 μF électrolytique
C10 = 100 μF électrolytique
Z1 = Tore VK 27.03
Z2 = Tore VK 900
DS1 = Diode BYW29 ou BYW80
TR1 = Transistor NPN BC 547
MFT1 = Mosfet IRF522 ou IRF520
IC1 = Intégré UC3843
S1 = Interrupteur


Réalisation pratique
La figure 5a donne le plan d’implantation des composants sur le circuit imprimé simple face dont le dessin est donné en figure 5b.
Pour commencer, nous vous conseillons d’insérer le support pour le circuit intégré IC1.
Après avoir soudé toutes ses broches sur les pistes du circuit imprimé, vous pourrez insérer les quelques résistances ainsi que le trimmer R7.
A ce sujet, nous vous rappelons que la résistance R10 doit être de 0,25 Ω - 2 watts et, étant donné que cette valeur ne se trouve pas facilement, nous l’avons obtenue en reliant en parallèle 4 résistances de 1 Ω - 1/2 watt.
Après les résistances, vous pouvez insérer les 6 condensateurs polyesters puis les 4 électrolytiques, en respectant bien, pour ces derniers, la polarité +/– de leurs pattes.
Insérez, à côté du circuit intégré IC1, le transistor TR1, en dirigeant le côté plat de son corps vers le haut, comme montré sur la figure 5a.
Poursuivez le montage en insérant les deux tores Z1 et Z2, et en contrôlant que leurs deux fils en cuivre soient parfaitement propres et correctement étamés.
Une fois cette opération terminée, vous pourrez insérer la diode DS1 qui, comme vous pouvez le remarquer, a la forme et les dimensions d’un transistor de puissance, à la seule différence qu’elle n’a que deux pattes. Le côté métallique de son corps sera dirigé vers le radiateur du Mosfet MTF1.
A présent, vous pouvez insérer le Mosfet en fixant son corps comme indiqué sur le plan d’implantation, c’est-à-dire sur un petit radiateur de refroidissement.
Il est évident que ses trois pattes doivent être pliées en L à l’aide d’une petite pince.
Pour terminer le montage, il vous suffit d’insérer les deux borniers : sur celui placé en haut, reliez la tension d’alimentation de 9 ou 12 volts, tandis que sur celui placé en bas, prélevez la tension de sortie, élevée à la valeur choisie en réglant le curseur du trimmer R7.

Le boîtier
Pour ce montage nous avons prévu un petit boîtier plastique, équipé d’une face avant percée et sérigraphiée.
Vous pourrez l’obtenir séparément car beaucoup d’entre-vous pourraient aussi envisager un emplacement particulier pour le convertisseur.
Le circuit imprimé doit être fixé à l’intérieur de ce boîtier plastique avec 4 vis tarauds.
Ensuite, sur la face avant, insérez les douilles bananes femelles d’entrée pour la tension d’alimentation 12 volts et celles de sortie pour une tension maximale de 28 volts.
Lorsque vous fixerez ces douilles sur la face avant, n’oubliez pas de retirer d’abord la bague isolante et de la placer du côté intérieur du boîtier.
Une fois le montage terminé et avant de connecter sur sa sortie l’appareil que vous souhaitez alimenter, reliez un multimètre et tournez le curseur du trimmer R7 jusqu’à l’obtention de la valeur de tension voulue.

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