Un convertisseur continu/continu 12 –> 24 volts sous 1,5 ampère

Ce convertisseur statique fonctionne grâce à la charge d’une inductance. Bien qu’il soit réalisé avec des composants traditionnels, son fonctionnement n’en est pas moins irréprochable. Il utilise un NE555 comme oscillateur et quelques transistors pour le contrôle de l’étage de puissance. Il permet d’obtenir une tension de 24 volts sur sa sortie, sous un courant de 1,5 ampère. De plus, il est doté d’un contrôle de la tension de sortie.


Avec tous les composants disponibles sur le marché, lorsqu’on parle de régulateur à découpage, on pense immédiatement à un circuit intégré spécialisé pilotant deux MOSFET et un transformateur ou au schéma d’application d’un composant qui fait tout à lui seul.
Il apparaît difficile d’imaginer un schéma constitué de transistor et de quelques autres composants.
Eh bien, malgré la disponibilité de composants spécifiques (par exemple le convertisseur DC/DC mono-chip LM2576 ou les driver pour MOSFET : SG3524, TL494, UC3842, etc.)
qui rendraient simples l’étude et la réalisation de réducteurs ou d’élévateurs de tension à commutation, nous pouvons vous démontrer que l’on peut encore mettre au point un bon convertisseur à découpage, précis et fiable en utilisant uniquement des composants discrets et un circuit intégré d’usage courant.
Dans cet article, en fait, nous vous proposons un schéma du type step-up (élévateur de tension) conçu suivant le principe de la charge d’une inductance, dans lequel nous pilotons une bobine à l’aide d’un transistor MOSFET excité par les impulsions produites par un multivibrateur astable.
Un réseau de contre-réaction original (réalisé avec un circuit différentiel à transistors bipolaires) est en mesure de réguler la tension de sortie, la rendant insensible aux variations de la charge qui lui est appliquée.
Le tout permet d’obtenir 24 volts en partant de 12 volts continus et de délivrer 1,5 ampère, soit un total de 36 watts de puissance.
Cet appareil est ainsi adapté à de nombreuses applications demandant une alimentation en 24 volts stabilisés.

Comment ça fonctionne ?
Définir comme original le convertisseur proposé ici serait un peu exagéré.
Celui-ci est en fait un condensé de technique et le résultat de la mise en commun de circuits élémentaires obtenus avec des composants traditionnels.
En substance, il s’agit d’un oscillateur à onde rectangulaire qui contrôle un MOSFET par l’intermédiaire d’un étage driver à symétrie complémentaire.
Le MOSFET court-circuite périodiquement vers la masse, une inductance qui emmagasine de l’énergie et la restitue, durant les pauses (transistor bloqué), à un filtre L/C utilisé pour niveler la tension de sortie.
On peut ainsi récupérer une tension continue bien filtrée, dont l’amplitude est stabilisée grâce à l’intervention d’un réseau de contre-réaction particulier.

Le schéma électrique
Comme vous pouvez le voir sur la figure 1, le NE555 est monté suivant la configuration spécifiée par le fabricant afin de générer une onde rectangulaire ayant un rapport cyclique (rapport entre la durée d’une impulsion positive et celle de la période totale) réglable à l’aide du trimmer R7.
Le réglage précis du rapport cyclique du signal produit par U1 et donc de celui qui pilote l’inductance L1 (figure 2) par l’intermédiaire du transistor MOSFET, est à la base du fonctionnement correct de l’ensemble.
En fait, la meilleure stabilisation de la tension de sortie est obtenue en faisant travailler la bobine à la limite du “coude” de la courbe d’induction mutuelle.
De cette manière, de minimes variations d’amplitude des impulsions de contrôle, dues à l’intervention de la contre-réaction, permettent d’obtenir des changements discrets sur la tension de sortie.
La tension de sortie est régulée par l’intermédiaire d’un réseau de contre-réaction composé par un amplificateur d’erreur très particulier : Il s’agit d’un étage différentiel réalisé avec deux transistors PNP.
Comme un amplificateur différentiel a pour caractéristique de fournir à la sortie une tension directement proportionnelle à la différence entre les potentiels appliqués à ses entrées, nous pouvons en déduire que le potentiel, qu’il délivre dépend de la différence entre la portion de la tension prélevée sur la sortie et le potentiel de référence.
Le potentiel de référence est fixe. Il est fourni par une diode zener (DZ1) de 10 volts polarisée par la résistance R1.
Le diviseur de tension, constitué par R3 et R5, prélève, quant à lui, une portion de la tension de sortie.
La base du transistor T1 fait office d’entrée inverseuse, par contre, celle de T2 correspond à l’entrée non-inverseuse.
Si vous avez un doute, pensez qu’une augmentation de la tension de sortie fait monter le potentiel sur la base de T2, donc contraint T2 au blocage et fait diminuer la chute de tension aux bornes de la résistance R2.
Cela détermine une augmentation de la tension Vbe de T1, faisant ainsi croître son courant collecteur. De ce fait, la chute de tension aux bornes de la résistance R4 varie en conséquence.
Vous voyez donc la relation de proportionnalité directe entre le potentiel de contre-réaction et celui sortant de l’étage différentiel.
Mais à quoi sert ce dernier ? C’est très simple : il intervient sur l’étage de sortie pour limiter dynamiquement l’amplitude des impulsions qui chargent l’inductance L1 si la tension de sortie augmente trop, ou bien, pour augmenter cette amplitude si la tension baisse sous l’effet d’une trop forte charge.
Son fonctionnement est simple, l’onde rectangulaire qui pilote le MOSFET arrive à cet endroit par l’intermédiaire d’un simple driver à symétrie complémentaire, basé sur les transistors T3 (NPN) et T4 (PNP).
Ce driver a la précieuse caractéristique de fournir des impulsions positives très nettes et de porter à la masse l’électrode de commande du MOSFET durant les pauses.
Les bases des transistors complémentaires reçoivent à leur tour l’onde rectangulaire par l’intermédiaire de la résistance R9, mais elle se trouve également reliée au collecteur de T5, qui est, quant à lui, piloté par le potentiel d’erreur.
Nous pouvons en déduire que l’état de conduction de T5 influe sur la polarisation de l’étage à symétrie complémentaire en présence des impulsions positives.
En fait, plus il devient conducteur, plus important est le courant qui est soustrait à la résistance R9, donc plus faible est le courant de base du transistor T3 en présence de chaque impulsion positive.
Vice-versa, s’il tend vers le blocage, il demande moins de courant et en laisse passer une quantité plus importante dans la base de T3.
A présent, on peut dire que plus T3 est conducteur, plus importante est la tension entre son émetteur et la masse, par contre, en diminuant le courant sur sa base, il restitue un potentiel inférieur à l’électrode du transistor MOSFET.
T3 fonctionne en fait en émetteur suiveur, configuration qui permet de présenter sur l’émetteur la tension reçue sur la base, diminuée de la tension Vbe (seuil de conduction de la jonction base-émetteur).
Vu la relation de proportionnalité directe entre la tension de sortie et celle appliquée entre la base et l’émetteur de T5, nous pouvons affirmer que plus la première croît, plus le transistor est conducteur et viceversa.
En terme de contrôle du MOSFET, cela signifie que les impulsions sur l’émetteur de T3 diminuent d’amplitude lorsque la tension de sortie tend à augmenter et croissent si cette dernière baisse.
Dans le premier cas, MSFT1, à chaque demi-période, délivre moins de courant à la bobine, lui donnant moins d’énergie afin qu’elle puisse en céder moins que la normale en sortie, durant les pauses de conduction du MOSFET.
Cela permet de réduire la différence de potentiel aux bornes des condensateurs électrolytiques de sortie C3, C4, C5.
Dans le second cas (baisse de la tension de sortie), le MOSFET conduit plus que la normale et charge l’inductance avec plus de courant.
L1 peut fournir plus d’énergie à la charge connectée sur la sortie OUT du circuit, évitant que la tension fournie par le convertisseur ne baisse plus que la valeur nominale.
Tout cela nous permet d’obtenir un appareil dont le rendement avoisine les 90 %, travaillant à une fréquence de 40 kHz, fournissant une tension en sortie de 24 volts pour une tension d’entrée de 12 volts et pouvant débiter une intensité maximale de 1,5 ampère.
Arrivé à ce point, avant de passer aux conseils de réalisation, voyons ce que nous n’avons pas encore décrit.
Le système fonctionne en 12 volts (±10 %) à appliquer au bornier “+/– 12V IN”, le fusible protège la ligne principale, ligne pouvant véhiculer des courants de l’ordre de 3,5 ampères.
La diode D4 sert à éviter que, durant la charge de l’inductance, les condensateurs électrolytiques ne soient déchargés à travers le MOSFET.
Vous savez que ce dernier, pour alimenter L1, passe en conduction, et provoque un court-circuit vers la masse.
Donc, D1 fait en sorte que le courant emmagasiné par l’inductance aille dans les condensateurs de sortie, ainsi que vers la charge durant les pauses (MSFT1 bloqué) et bloque le courant chaque fois que le MOSFET est conducteur.
L’autre inductance, L2, forme avec le condensateur C4, un filtre passe-bas qui supprime les résidus de commutation.
Il ne faut pas oublier que l’oscillateur principal fonctionne à 40 kHz exactement, ainsi, les résidus de la décharge de l’inductance sont des pics étroits et d’amplitude non négligeable, qui sont supprimés.
Cela permet d’éviter d’influencer les appareils alimentés avec le convertisseur et de propager les perturbations à d’éventuels récepteurs de radio AM en fonctionnement dans un environnement proche.

Figure 1 : Schéma électrique du convertisseur continu/continu 12/24 volts 1,5 ampère.

Figure 2 : Les bobines.

Le coeur de notre appareil est constitué de deux bobines, en particulier L1, qui emmagasine l’énergie lorsque le MOSFET est en conduction et la restitue lorsque le MOSFET est bloqué. L2 pour sa part, élimine les perturbations dues à la commutation (voir figure 7). Les bobines peuvent être réalisées ou achetée dans le commerce. On trouve en effet assez facilement (voir annonceurs) des bobines adaptées à chaque cas. Quoi qu’il en soit, L1 a une valeur de 68 μH et doit être en mesure de supporter un courant d’au moins 3 ampères. L2 est constituée de 30 spires de fil de cuivre émaillé de 0,5 mm bobinée sur un support de 8 à 10 mm de diamètre qui sera retiré après bobinage.

Figure 3a : Schéma d’implantation des composants du convertisseur.

Figure 3b : Photo d’un des prototypes du convertisseur DC/DC montrant la position de chacun des composants. Remarquez le radiateur sous le MOSFET BUZ11.

Figure 3c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du convertisseur continu/continu.

Liste des composants
R1 = 2,2 kΩ
R2 = 3,3 kΩ
R3 = 6,8 kΩ
R4 = 15 kΩ
R5 = 4,7 kΩ
R6 = 1 kΩ
R7 = 100 kΩ trimmer
R8 = 1 kΩ
R9 = 1 kΩ
C1 = 330 pF céramique
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 470 μF 35 V élec.
C4 = 100 nF multicouche
C5 = 470 μF 35 V élec.
C6 = 1000 μF 25 V élec.
D1 = Diode 1N4148
D2 = Diode 1N4148
D3 = Diode BAT85
D4 = Diode SB540
DZ1 = Diode zener 10 V
T1 = NPN BC557
T2 = NPN BC557
T3 = PNP BF199
T4 = PNP BF421
T5 = NPN BC547
MSFT1 = MOSFET BUZ11
U1 = Intégré NE555
L1 = Self 68 μH 3A
L2 = Voir texte

Divers :
2 Borniers 2 pôles
1 Support 2 x 4 broches
1 Porte-fusible pour ci
1 Fusible 10 A
1 Radiateur ML26 ou équiv.
1 Vis 3 MA x 15 mm
1 Ecrou 3 MA
4 Entretoises adhésives


Figure 4 : Brochage du MOSFET utilisé (BUZ11) avec une identification schématique des pattes et brochage des transistors vus de dessous.

Figure 5 : Le NE555.

1 = GND
2 = Trigger
3 = Ouput
4 = Reset
5 = Control voltage
6 = Threshold
7 = Discharge
8 = Vcc


Figure 6 : Pour réaliser la self L2, bobinez 30 spires jointives de fil émaillé 5/10 sur une queue de foret de diamètre 8 à 10 mm.

La réalisation pratique
Nous pouvons, à présent, nous occuper de l’aspect pratique et nous voulons vous tranquilliser car malgré la présence d’une certaine variété de composants, la réalisation est à la portée de tous.
Un seul trimmer est à régler et son réglage peut être effectué de manière assez empirique.
En vous aidant du tracé reproduit, à l’échelle 1, en figure 3c, préparez le circuit imprimé par votre méthode habituelle ou par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".
Le circuit imprimé gravé et percé, disposez les composants suivant la procédure habituelle en suivant le dessin d’implantation des composants de la figure 3a et la photo de la figure 3b.
Pour ce qui est du MOSFET, il s’agit d’un BUZ11 à installer couché sur un dissipateur adapté (ML26).
Les deux inductances peuvent soit être fabriquées par vos soins, soit achetées toutes prêtes dans le commerce.
L1 doit avoir une valeur de 68 μH et être en mesure de supporter un courant d’au moins 3 ampères.
L2 doit avoir une valeur de quelques microhenrys et peut être réalisée en bobinant, en l’air, 30 spires de fil de cuivre émaillé de 0,5 mm sur une queue de foret de 8 à 10 mm de diamètre(voir figure 6).
Pour les condensateurs de sortie, il est préférable de les choisir du type rapide avec une résistance série assez faible comme ceux utilisés dans les alimentations à découpage.

La mise au point
Passons à présent à la mise en fonctionnement de votre convertisseur DC/DC. Pour cela, il faut l’alimenter avec une tension de 12 volts en utilisant une batterie d’au moins 6 A/h ou une alimentation capable de délivrer 12 volts avec un courant nominal d’environ 3,5 ampères.
Avant tout, réglez à mi-course le curseur du trimmer et reliez, sur la sortie “OUT”, un multimètre commuté en voltmètre sur le calibre 30 à 50 volts.
Mettez le convertisseur sous tension et lisez la tension sur la sortie. Si besoin, tournez le curseur de R7 pour obtenir 24 volts.
Théoriquement, la position du curseur de R7 ne doit pas trop influer sur la tension de sortie, tout au moins, à vide.
Procurez-vous une résistance de 220 ohms, 4 watts et une de 22 ohms, 25 watts. Si vous avez des difficultés pour vous procurer un modèle 25 watts, mettez 4 résistances de 100 ohms, 7 watts en parallèle.
Vous disposez maintenant de deux charges fictives, vous pouvez donc régler avec précision votre convertisseur.
Connectez, en premier lieu, la résistance de 220 ohms sur la sortie (attention car après quelques instants, elle chauffe, ne la touchez pas avec les doigts) et lisez la tension sur le voltmètre.
Si besoin, tournez lentement R7 pour obtenir la valeur la plus proche de 24 volts.
Déconnectez la résistance de 220 ohms et placez celle de 22 ohms.
Vous avez maintenant une charge qui est proche de la charge maximale.
Lisez ce qu’indique le voltmètre et vérifiez que la tension se maintienne sur la valeur lue précédemment à peu de choses près.
Si besoin est, retouchez le réglage de R7, afin d’approcher au mieux la valeur de 24 volts, puis, vous pouvez renouveler la mesure avec la résistance de 220 ohms.
Le circuit est prêt à l’emploi, déconnectez la résistance et la batterie, puis envisagez la mise en boîte du convertisseur.
Dans le choix du coffret, vous devez prendre en compte la ventilation du convertisseur, choisissez donc un coffret avec des trous d’aération ou pratiquez-en quelques-uns.

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