Une alimentation à découpage de 0 à 25 volts sous 8 ampères

Idéal pour le laboratoire, cet appareil est en mesure de fournir une tension continue comprise entre 0 et 25 volts avec un courant maximal de 8 ampères. Grâce à l’emploi d’un circuit intégré spécialisé, ses performances sont à la hauteur de sa simplicité de réalisation.


Enrichir toujours plus la multitude d’appareils du laboratoire et augmenter la dotation du banc de travail, doivent êtres parmi les premiers objectifs d’un bon technicien. En effet, sans instrument ou avec une instrumentation vétuste ou insuffisante, il est impossible de régler et de tester une gamme variée d’appareils et, a fortiori, improbable d’effectuer les vérifications voulues sur des circuits en phase de développement ou sur des prototypes.
Parmi les incontournables instruments du laboratoire, se trouve l’alimentation stabilisée réglable. Une alimentation qui doit pouvoir fournir les tensions d’utilisation les plus courantes et un courant d’au moins 3 à 5 ampères. Ce sont les caractéristiques minimales pour pouvoir faire fonctionner la majeure partie des dispositifs qui passent sur la table de travail d’un technicien en électronique.
Dans cet article, nous voulons vous proposer la réalisation d’une alimentation d’utilisation générale (voir photographie de début d’article), capable de délivrer une tension continue stabilisée et réglable entre 0 et 25 volts avec un courant pouvant atteindre les 8 ampères.
Il s’agit d’un produit professionnel, obtenu grâce à l’utilisation du L4970A, un régulateur à découpage fabriqué par STMicroelectronics (http://www.st.com) (voir figure 1). C’est un circuit intégré qui, à lui seul, stabilise et régule le potentiel de sortie. Dans notre application, pour les motifs que nous évoquerons plus loin, il nécessite, pour fonctionner, un 7905 en supplément.
L’adoption d’un régulateur à découpage permet d’optimiser le rendement et de réduire les dimensions du dissipateur de chaleur, donc, également, les dimensions de l’ensemble de l’alimentation.
En fait, un meilleur rendement signifie moins de puissance dépensée en chaleur à égalité de puissance fournie à l’utilisateur.

Le schéma électrique
Voyons immédiatement le schéma électrique de la figure 2 qui nous montre la structure de cette alimentation de laboratoire.
Nous nous trouvons en face d’un circuit relativement simple, car, comme nous le voyons, seul deux circuits intégrés ont été utilisés dont le premier (U1) concentre autour de lui les principales fonctions.
Procédons dans l’ordre et voyons que le régulateur à découpage est alimenté par une source linéaire classique avec pont de diodes et transformateur secteur.
Cette alimentation fonctionne en mode "step down" (abaisseur) et reçoit un potentiel de référence fourni par le second régulateur, cette fois, un modèle linéaire négatif 5 volts du type série (7905).
Tout fonctionne autour du L4970A. Ce régulateur à découpage complet et performant travaille selon la technique de charge d’une inductance en PWM. De plus, il est capable de débiter un courant de 8 ampères. Ses principales caractéristiques se trouvent en figure 7 mais vous pouvez obtenir une documentation très complète sur le site st.com.
Le coeur du L4970A est un driver PWM série, qui pilote une inductance avec des impulsions de tension dont l’amplitude constante est à peu près égale au potentiel reçu sur la patte d’entrée (9), depuis le pont redresseur PT2.
La largeur des impulsions dépend des conditions de charge, en fait, de la tension que la ligne de contre-réaction retransmet à l’entrée de feedback (patte 11). Pour préciser, disons que plus la tension est faible, plus les impulsions appliquées à la charge s’élargissent et vice-versa.
Comme le pilotage intervient avec une forme d’onde carrée du type on/off, l’inductance peut céder l’énergie emmagasinée durant chaque demi-période active (impulsion au niveau haut) à la charge durant la pause suivante.
Lorsque la sortie est au repos, l’inductance cède son énergie aux condensateurs de filtrage C1, C2 et C3.
En connectant aux borniers "V OUT" une charge qui consomme du courant, on provoque la décharge plus ou moins rapide des condensateurs électrolytiques, avec la conséquence d’une baisse de la différence de potentiel à leurs bornes.
La contre-réaction (formée par le trimmer et par la résistance R3) reporte sur la patte 11 du circuit intégré, un potentiel directement proportionnel à celui de la sortie.
Ainsi, il permet au L4970A d’apprécier la consommation de la charge et d’agir en conséquence lorsque la tension tend à baisser lorsque le courant requis par l’utilisateur est tel qu’il décharge les condensateurs de sortie avant qu’ils ne soient rechargés.
Dans cette situation, le composant réagit en augmentant la largeur de chaque impulsion transmise à l’inductance, donc, en déterminant une augmentation de l’énergie restituée par l’inductance L1 aux condensateurs électrolytiques.
A l’inverse, si le courant prélevé par la charge baisse, le L4970A réduit la largeur des impulsions sur L1, afin de fournir moins d’énergie.
A la sortie du comparateur interne du L4970A, nous prélevons donc des impulsions dont la largeur est :
- plus importante, lorsque la tension reçue sur la patte 11 (feedback) est faible,
- moins importante, si le potentiel résultant du L4970A (et appliqué à la charge) tend à augmenter.
Ces impulsions passent à travers un "latch" qui est normalement validé mais qui est désactivé dans le cas où l’étage de protection détecte une température excessive dans le corps du circuit intégré. En fait, s’il détecte une surcharge en sortie.
Du "latch", les impulsions rejoignent le "driver" au travers des portes logiques utilisées pour bloquer le régulateur PWM, durant le temps de transition de l’allumage.
Pour cela, il est prévu une logique dite de “soft start”, laquelle est temporisée, en externe, par le condensateur C7.
Le "driver" amplifie la forme d’onde rectangulaire de façon à l’envoyer sur la porte (gate) du MOSFET interne final (voir figure 7d), un puissant DMOS qui, physiquement, alimente et déconnecte l’inductance de sortie, appliquant à la patte 7, à chaque impulsion positive fournie par le "latch", la tension d’entrée (la tension continue appliquée à la patte 9).
C’est avec cette tension que l’inductance L1 est chargée et c’est durant les pauses (période de blocage du MOSFET après la période de conduction) qu’elle se décharge dans les condensateurs électrolytiques de sortie (C1, C2, C3).
Durant les phases de décharge, le MOSFET doit être protégé des inversions de polarité auxquelles il est exposé. En effet, lorsque l’inductance reçoit l’impulsion, le MOSFET a la polarité positive sur la patte 7 et lorsqu’elle se décharge, elle tend à maintenir un courant de même sens, donc, une tension de direction opposée.
La diode D1 (du type à commutation rapide) sert pour fermer le circuit en décharge et à empêcher le courant d’extra-rupture d’endommager le transistor de sortie.
Ce phénomène s’explique par la loi de Lenz, selon laquelle une inductance brusquement privée de la tension avec laquelle elle est alimentée, réagit en déterminant une différence de potentiel de sens opposé, qui peut avoir une valeur instantanée beaucoup plus élevée (demandez aux vaches se frottant aux clôtures électriques fonctionnant selon ce principe, ce qu‘elles en pensent !).
Cela est dû à l’inertie de l’inductance face au courant. Ainsi, si on coupe, de manière répétitive, l’alimentation en gardant le courant qui la traverse, jusqu’à l’instant précédent l’interruption du circuit, le sens étant identique, la tension qui, auparavant, avait chuté, devient une force électromotrice, donc, une différence de potentiel induite ayant un sens opposé.
Retournons à notre circuit pour dire, à la lueur des constatations faites jusqu’ici, que, de toute évidence, si la tension de contre-réaction, reportée de la sortie sur la patte 11, influence la largeur des périodes actives de l’onde rectangulaire, le trimmer permet de régler avec précision la valeur de la tension de sortie que nous voulons obtenir.
En remplaçant le trimmer par un potentiomètre, voici que nous obtenons notre commande permettant de moduler la tension délivrée par l’alimentation dans la gamme de 0 à 25 volts.
Ces limites sont fixées par le potentiel de référence négatif appliqué à l’autre résistance du diviseur de contre réaction (R3) et de la valeur de cette dernière.
La valeur de la résistance détermine le minimum de potentiel de référence donné à la patte 11.
Pour une régulation correcte, rappelez-vous que plus la tension sur cette patte est faible, plus le potentiel pouvant être prélevé en sortie est élevé et vice-versa. Ainsi, plus la résistance du potentiomètre (par rapport à R3) est élevée, plus la tension de sortie est élevée. Au contraire, plus la résistance est basse, déterminant ainsi un potentiel de contre-réaction plus élevé, moins la tension de sortie est importante.
De cela, nous pouvons déduire que le potentiel de sortie maximum dépend du rapport entre toutes les résistances insérées avec le trimmer et R3.
Le minimum, par contre, est imposé par les caractéristiques constructives et fonctionnelles du L4970A et il ne serait pas à zéro, sans l’intervention du second régulateur (U2), qui applique à la patte 8 (masse de référence) une composante 5 volts négatifs par rapport au zéro commun.
La section de puissance, celle relative au L4970A, est alimentée avec la tension continue produite, en redressant la tension alternative fournie par le secondaire d’un transformateur torique (TF1) fournissant 30 volts efficaces (voir figure 9a).
Cette tension est mise en forme par le pont de diodes PT1 (un 50 V - 25 A) qui redresse les alternances sinusoïdales avec lesquelles sont chargés les condensateurs C4 et C5.
Il en résulte une composante continue bien redressée, d’une amplitude d’environ 41 volts.
Pour la partie qui délivre les 5 volts négatifs pour la référence du zéro, le régulateur U2 reçoit la tension nécessaire du pont redresseur PT2. Ce dernier rend continue la tension fournie par un second transformateur, TF2, un 220 V - 9 V à 15 V 100 mA pour circuit imprimé.

Figure 1 : Représentation schématique du régulateur à découpage L4970A.

Figure 2 : Schéma électrique de l’alimentation à découpage 0 à 25 volts - 8 ampères.

Figure 3 : Vous pouvez ajouter un voltmètre et un ampèremètre, ce qui rendra votre alimentation de laboratoire plus professionnelle et plus complète. Dans un souci d’économie, vous pouvez également utiliser votre multimètre pour faire vos réglages et mesures.

Figure 4 : Schéma d’implantation des composants de l’alimentation à découpage.

Figure 5 : Photo d’un des prototypes terminé, prêt à être utilisé.

Figure 6 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’alimentation à découpage.

Liste des composants
R1 = 18 kΩ
R2 = 15 kΩ
R3 = 4,7 kΩ
R4 = 18 kΩ
R5 = 1,5 kΩ
R6 = 4,7 kΩ
R7 = 1 kΩ
R8 = 470 Ω
R9 = 22 kΩ pot. lin.
C1 = 220 μF 35 V électrolytique
C2 = 220 μF 35 V électrolytique
C3 = 220 μF 35 V électrolytique
C4 = 4700 μF 50 V électrolytique
C5 = 4700 μF 50 V électrolytique
C6 = 100 μF 35 V électrolytique
C7 = 2,2 μF 100 V électrolytique
C8 = 2,2 nF polyester
C9 = 470 pF céramique
C10 = 22 nF polyester
C11 = 1 μF polyester
C12 = 47 nF polyester
C13 = 220 μF 25 V électrolytique
C14 = 330 nF polyester
C15 = 100 μF 25 V électrolytique
D1 = Diode MBR745
U1 = Régulateur à découpage L4970A
U2 = Régulateur négatif 7905
LD1 = LED verte 5 mm
T1 = NPN BC547B
T2 = NPN BC547B
L1 = 150 μH 8,5 A
PT2 = Pont 20 V mini 1 A pour ci
TF2 = Transfo. 220 V 9 V à 15 V 100 mA pour ci
TF1 = Transfo. torique 220 V sec. 30 V - 8,5 A
PT1 = Pont 50 V mini - 25 A

Divers :
6 Cosses Faston vert. pour ci (V OUT - V IN - 220 V)
1 Bornier 3 pôles (pour R9)
1 Radiateur T/88/40 (4 à 5 °C/W)
4 Entretoises plastique auto-adhésives


Figure 7a : Tableau des caractéristiques du régulateur L4970A.

Figure 7b : Brochage du régulateur L4970A.

Figure 7c : Tableau récapitulant l’identification de chacune des pattes du régulateur à découpage.

Figure 7d : Schéma synoptique interne du L4970A.

Figure 8 : Vue du circuit imprimé entièrement câblé de l’alimentation. On peut voir le dissipateur employé pour refroidir le régulateur L4970A. Nous avons utilisé ce modèle car il était disponible dans nos tiroirs. N’importe quel radiateur ayant une résistance thermique d’environ 4 à 5 °C/W fera l’affaire.

Figure 9 : Alimentation externe.

Pour le transformateur principal (celui de puissance) et son redressement, il a été prévu un montage externe au circuit imprimé. Il est conseillé d’utiliser un transformateur torique d’une puissance de 250 VA ayant un primaire de 220 volts et un secondaire de 30 volts (ou 2 x 15 volts) sous 8,5 A. Le transformateur est connecté à un pont redresseur d’un modèle adapté (50 V - 25 A) par deux fils de câblage d’une section de 2 mm2 au moins. La sortie + et – du pont redresseur sera reliée aux points marqués +/– V IN du circuit imprimé.

Figure 10 : La bobine utilisée (L1) doit avoir une valeur de 150 μH et doit être en mesure de travailler avec des courants d’au moins 8 à 10 ampères.

La réalisation du projet
S’agissant d’une alimentation pouvant débiter 8 ampères, une certaine attention est nécessaire, surtout concernant le montage du L4970A, le choix du dissipateur de chaleur et du transformateur d’alimentation.
La première opération à effectuer est de préparer le circuit imprimé en faisant appel à votre méthode habituelle ou à celle décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?". Pour cela, aidez-vous du dessin, à l’échelle 1, reproduit à la figure 6.
Une fois la platine gravée et percée en votre possession, vous pouvez commencer le montage des composants.
Pour ce faire, vous vous aiderez de la figure 4 et des photos.
Réalisez, en premier lieu, les cinq straps d’interconnexion, en utilisant du fil de câblage de 0,8 mm à 1 mm, puis, insérez les résistances, les condensateurs, en faisant attention aux modèles polarisés.
Passez ensuite aux diodes et aux transistors, là aussi, en prêtant le maximum d’attention au sens d’orientation de la diode en boîtier TO220 (D1), la partie métallique de son corps étant dirigée vers l’extérieur de la platine.
La diode D1 sera isolée à l’aide d’une petite feuille de mica dont la partie arrière sera enduite de pâte thermique.
Le régulateur L4970A sera fixé sur un dissipateur de chaleur anodisé noir, du modèle que vous voulez, pourvu que sa résistance thermique soit environ de 4 à 5 °C/W.
Sur le même circuit imprimé, prend également place le petit transformateur qui alimente le régulateur 7905, le transformateur TF2.
N’oubliez pas la bobine L1, qui doit avoir une valeur de 150 μH. Elle sera réalisée sur un tore ou un morceau de barreau de ferrite avec un fil capable de laisser passer 10 ampères. Une trentaine de spires en fil émaillé 8 à 10/10 feront l’affaire (voir figure 10).
Le pont redresseur PT2 est inséré dans les trous du circuit imprimé réservé à cet effet et placé dans le sens indiqué sur la figure 4.
Selon le boîtier choisi, métallique de préférence, le potentiomètre permettant le réglage de la tension de sortie peut être monté soit directement sur le circuit imprimé, soit connecté à celui-ci à l’aide de fils de câblage.
Le circuit terminé, il faut l’installer dans un coffret de dimensions appropriées et suffisamment robuste pour supporter le poids du transformateur principal.
Après avoir réalisé toutes les interconnexions, placez deux bornes à vis sur la face avant du coffret, une rouge pour le positif, l’autre noire pour le négatif.
Pour ces liaisons, utilisez du fil de câblage gainé sous plastique d’une section minimale de 2 mm2.
Pour le câble relié au secteur, utilisez un cordon équipé d’une prise mâle standard 16 A munie d’une prise de terre.
Connectez les fils du câble secteur aux points marqués 220 V sur le circuit imprimé et sur l’entrée du primaire du transformateur principal, intercalez un fusible de 2 ampères rapide, que vous pourrez placer dans un porte fusible vissé sur la face avant ou arrière du coffret. N’oubliez pas de fixer le pont redresseur PT1 50 V 25 A sur le fond du boîtier. Raccordez-le à l’entrée +/– V IN par des fils de forte section terminés par des cosses Faston mâles. Si vous êtes certain de votre montage, rien ne remplacera de bonnes soudures.

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