Un préamplificateur d'antenne de 20 à 450 MHz

Ce préamplificateur d’antenne est étudié pour amplifier de 20 dB toutes les fréquences comprises entre 20 et 450 MHz. Il permet de mettre à niveau les signaux faibles que le récepteur seul ne pourrait pas capter. Le circuit inclut 5 filtres passe-bande que l’on peut sélectionner manuellement.


A la suite de la description du préamplificateur d’antenne 0,4 et 50 MHz faible bruit, dans ELM numéro 18, page 32 et suivantes, plusieurs SWL et radioamateurs nous ont demandé pourquoi nous n’avions pas proposé un montage qui permettrait d’arriver au moins à la gamme UHF des 430 MHz.
Réaliser un préamplificateur capable de couvrir une bande aussi large, c’est-à-dire de 0,4 à 430 MHz, est pratiquement impossible. Et, même en admettant que cela puisse être faisable, le résultat comporterait plus d’inconvénients que d’avantages !
En effet, si on préamplifiait une gamme aussi large, on recevrait alors de tout, y compris les fréquences des émetteurs TV et des radios privées qui émettent en FM, par exemple.
Comme les signaux de ces stations ont des amplitudes importantes, deux fréquences différentes pourraient se mélanger et en générer une troisième, qui pourrait tomber sur la fréquence que l’on veut recevoir.
Pour éviter cet inconvénient, il faut utiliser plusieurs filtres passe-bande, permettant chacun de ne laisser passer que les signaux à amplifier.
Au début, nous avons tenté de construire ces filtres passe-bande avec des composants traditionnels. Mais après avoir fait réaliser une dizaine de montages à des étudiants et à des amateurs, nous avons chaque fois constaté que les trois derniers filtres, 110 à 220, 220 à 320 et 320 à 450 MHz, étaient toujours hors gamme, en raison de la disparité dans la longueur des connexions, ce qui est très important à ces fréquences.
Afin d’éviter à nos lecteurs (qui ne disposent généralement pas d’appareils de mesure hautement sophistiqués) un possible échec, nous avons donc préféré faire réaliser industriellement un petit circuit imprimé déjà équipé de tous les filtres en CMS.
Même si nous savons que cette solution n’est pas très appréciée des puristes qui préfèrent le traditionnel, nous pensons aussi à tous les débutants pour lesquels il est plus avantageux d’acquérir un circuit en CMS déjà testé et au fonctionnement garanti, plutôt que de monter un circuit avec des composants traditionnels pour se retrouver, après des heures de travail, avec un appareil qui ne fonctionne pas.
Avant d’entreprendre la réalisation de ce montage, nous vous conseillons de lire ou de relire l’article concernant le préamplificateur, publié dans la ELM numéro 18, page 32 et suivantes, dans lequel nous vous expliquions que si le récepteur a un facteur de bruit identique à celui du préamplificateur, la seule chose que l’on obtiendra au final, ce sera l’augmentation du niveau de tous les signaux captés sans pour autant recevoir les signaux faibles.
Si, au contraire, le récepteur a un facteur de bruit supérieur à celui du préamplificateur, même les signaux faibles que le récepteur ne pourrait pas capter tout seul seront reçus.

Le facteur de bruit (noise figure) et le gain
On trouve, dans ce préamplificateur de 3 dB de facteur de bruit et de 20 dB de gain, 5 filtres passe-bande pour recevoir les gammes de fréquences suivantes :
1er filtre = gamme de 20 à 40 MHz
2e filtre = gamme de 40 à 80 MHz
3e filtre = gamme de 110 à 220 MHz
4e filtre = gamme de 220 à 320 MHz
5e filtre = gamme de 320 à 450 MHz

Nous avons volontairement exclu la gamme FM de 88 à 108 MHz, parce que leurs signaux dans cette bande sont toujours reçus tellement forts qu’ils provoquent des interférences ainsi que de l’intermodulation.
Comme ce préamplificateur a un gain de 20 dB, tous les signaux HF captés par l’antenne seront amplifiés en tension, 10 fois environ, ce qui signifie que, même si on utilise des antennes qui ne sont pas parfaitement accordées, on réussira tout de même à capter tous les signaux très faibles.
Nous voulons vous faire remarquer qu’en raison des tolérances des inductances et des condensateurs, les limites maximales et minimales des gammes de fréquences, que nous avons reportés dans le schéma électrique de la figure 4, peuvent varier de plus ou moins 2 à 3 % environ.

Figure 1: Le préamplificateur d’antenne doit être installé dans un petit boîtier plastique et placé à proximité du récepteur.

Le schéma électrique
Comme vous pouvez le voir sur la figure 4, pour sélectionner le filtre passe-bande qui nous intéresse parmi les 5 filtres du montage, nous n’utilisons pas d’interrupteurs mécaniques ordinaires, mais des interrupteurs électroniques composés de diodes schottky (voir DS1 à DS11), qui peuvent travailler jusqu’à 1 GHz et plus.
Pour vous expliquer le fonctionnement de ce préamplificateur, analysons seulement le 1er filtre, celui de 20 à 40 MHz, qui, comme vous pouvez le voir sur la figure 2, est composé de l’inductance L2, reliée en série au condensateur C5, ainsi que des inductances L1 et L3 reliées en parallèle aux condensateurs C2 et C6.
Tant que les résistances R3 et R4 ne sont pas reliées à masse par la diode LED DL1, les diodes schottky DS1 et DS2 se comportent comme des interrupteurs ouverts et, donc, le signal HF qui entre sur le condensateur C1 ne peut pas passer à travers le filtre passe-bande et atteindre le condensateur de sortie C32 (voir figure 2).
Lorsque le commutateur S1 relie la diode LED DL1 à masse, celle-ci s’allume et un courant parcourt alors automatiquement les diodes schottky DS1 et DS2 qu’il met sous tension, en faisant en sorte qu’elles se comportent comme des interrupteurs fermés (voir figure 3).
De cette façon, le signal HF peut arriver sur l’entrée du filtre passe-bande et être prélevé sur sa sortie par le condensateur C32, afin d’être appliqué sur l’entrée de l’amplificateur IC1.
Les impédances JAF1 et JAF2, ainsi que les résistances R1 et R2, qui alimentent les anodes des diodes reliées à l’entrée et à la sortie des filtres, laissent passer la tension positive nécessaire pour mettre sous tension les diodes et empêcher que le signal HF ne se décharge sur la tension positive.
En résumé, le signal HF, capté par l’antenne, est appliqué sur les anodes des diodes DS1, DS3, DS5, DS7 et DS9 par l’intermédiaire du condensateur C1. Il est prélevé, pour les quatre premières gammes (40, 80, 220 et 320 MHz), par l’anode de la diode DS11 et, pour la dernière gamme (320 à 450 MHz), par l’anode de la diode DS10.
La diode DS11 sert à isoler de façon plus efficace les 4 premiers filtres du dernier (de 320 à 450 MHz).
Comme nous vous l’avons déjà expliqué, le signal HF passe seulement à travers le filtre dont les diodes ont été mises sous tension par le commutateur S1.
Le signal que l’on prélève sur la sortie du filtre ainsi sélectionné est appliqué, par l’intermédiaire du condensateur C32, sur l’entrée de l’amplificateur à large bande HP, référencé INA10386.
Ce dernier est capable d’amplifier de 20 dB n’importe quel signal d’une fréquence allant jusqu’à un maximum de 2 gigahertz.
Le signal amplifié, qui se trouve sur la sortie de cet amplificateur, est directement transféré sur la prise antenne du récepteur, par l’intermédiaire d’un câble coaxial de 52 ohms.
Pour sélectionner le filtre passe-bande qui nous intéresse, il suffit de relier à la masse, par l’intermédiaire du commutateur rotatif S1, l’une des cinq diodes LED référencées DL1 à DL5, qui, en s’allumant, nous signale laquelle des 5 gammes est en activité.
Ce préamplificateur est alimenté par une tension stabilisée de 12 volts, qui lui est fournie par le circuit intégré de type 7812, référencé IC2.

Figure 2 : Tant que la diode LED DL1 ne sera pas reliée à la masse, les deux diodes schottky, DS1 et DS2, auront le même comportement que des interrupteurs “ouverts” et, donc, le signal HF ne passera pas à travers le filtre passe-bande sélectionné.

Figure 3 : Lorsque vous relierez la diode LED DL1 à la masse, un courant parviendra immédiatement jusque sur les diodes schottky DS1 et DS2 qui, mises sous tension, feront passer le signal HF à travers le filtre passe-bande sélectionné.

Figure 4: Schéma électrique du préamplificateur d’antenne capable de couvrir en 5 gammes, toutes les fréquences comprises entre 20 et 450 MHz. L’étage HF des filtres passe-bande, y compris le circuit intégré IC1, est disponible sous forme de module CMS (voir figure 5).

Figure 5 : Photo du module filtre passe-bande-amplificateur, côté composants.
Cet étage, déjà testé, est protégé par un vernis anti-oxydant.


Liste des composants du module filtres passe-bande KM.1467
R1 = 100 Ω
R2 = 100 Ω
R3 = 1 kΩ
R4 = 1 kΩ
R5 = 1 kΩ
R6 = 1 kΩ
R7 = 1 kΩ
R8 = 1 kΩ
R9 = 1 kΩ
R10 = 1 kΩ
R11 = 1 kΩ
R12 = 1 kΩ
R13 = 180 Ω
C1 = 10 nF
C2 = 150 pF
C3 = 10 nF
C4 = 10 nF
C5 = 39 pF
C6 = 150 pF
C7 = 10 nF
C8 = 82 pF
C9 = 10 nF
C10 = 10 nF
C11 = 22 pF
C12 = 82 pF
C13 = 10 nF
C14 = 27 pF
C15 = 10 nF
C16 = 10 nF
C17 = 6,8 pF
C18 = 27 pF
C19 = 10 nF
C20 = 8,2 pF
C21 = 10 nF
C22 = 10 nF
C23 = 2,2 pF
C24 = 8,2 pF
C25 = 10 nF
C26 = 6,8 pF
C27 = 10 nF
C28 = 10 nF
C29 = 1 pF
C30 = 6,8 pF
C31 = 10 nF
C32 = 10 nF
C33 = 100 nF
C34 = 100 nF
C35 = 10 nF
C36 = 100 nF
JAF1 = Self 1 μH
JAF2 = Self 1 μH
JAF3 = Self 1 μH
L1 = Self 0,22 μH
L2 = Self 0,82 μH
L3 = Self 0,22 μH
L4 = Self 0,10 μH
L5 = Self 0,39 μH
L6 = Self 0,10 μH
L7 = Self 39 nH
L8 = Self 0,15 μH
L9 = Self 39 nH
L10 = Self 22 nH
L11 = Self 0,10 μH
L12 = Self 22 nH
L13 = Self 15 nH
L14 = Self 68 nH
L15 = Self 15 nH
DS1-DS11 = Diodes Schottky BA592
IC1 = Intégré INA10386


Liste des composants du circuit d’alimentation
C37 = 100 polyester
C38 = 100 nF polyester
C39 = 100 nF polyester
C40 = 1 000 μF électrolytique
C41 = 10 nF céramique
C42 = 10 nF céramique
C43 = 10 nF céramique
C44 = 10 nF céramique
RS1 = Pont redresseur 100 V 1 A
IC2 = Régulateur L7812
T1 = Transfo. 3 watts (T003.01) sec. 0-14-17 V 0,2 A


Liste des composants du circuit de commutation
R14 = 1 kΩ
R15 = 1 kΩ
R16 = 1 kΩ
R17 = 1 kΩ
R18 = 1 kΩ
DL1-DL5 = Diodes LED rouges
S1 = Commutateur 1 C 5 P
S2 = Interrupteur

Divers
1 Circuit imprimé alim. réf. EN.1467
1 Circuit imprimé commut. réf. EN.1467/B
1 Boîtier réf. MO.1467
2 Borniers 2 pôles pour ci
1 Cordon secteur


Figure 6 : Vous devrez souder les fils qui partent du circuit imprimé du commutateur S1 sur les 5 pistes en cuivre qui se trouvent sur le côté opposé du module KM.1467 (voir figure 9).

Figure 7 : Après avoir fixé les deux connecteurs BNC sur le panneau arrière du boîtier, insérez leurs sorties dans les deux trous qui se trouvent sur les côtés du circuit imprimé, puis soudez-les. N’oubliez pas de souder la cosse de masse de chaque BNC sur la masse du circuit imprimé (voir figure 9 en haut à droite).

Figure 8 : Photo du module en CMS, déjà fixé sur le panneau arrière.

Figure 9 : Pour faire fonctionner ce préamplificateur, il suffit de relier les trois platines comme indiqué sur ce schéma d’implantation des composants.

Figure 9a : Dessin à l’échelle 1 du circuit imprimé de l’alimentation.

Figure 9b : Dessin à l’échelle 1, côté pistes, du circuit imprimé de la commutation.

Figure 9c : Dessin à l’échelle 1, côté composants, du circuit imprimé de la commutation. N’oubliez pas de raccorder les pastilles qui ont une correspondance avec celles du côté pistes, en soudant les composants sur les deux faces quand c’est possible, ou en soudant une chute de queue de résistance ou de condensateur.

Figure 10 : Avant de souder les broches des diodes LED sur le circuit imprimé, vérifiez la longueur qui permettra à leurs têtes de dépasser du panneau avant (voir figure 11).

Figure 11 : Sur cette photo, le circuit imprimé de commutation est déjà fixé sur le panneau avant du boîtier.

Figure 12 : Fixez l’étage d’alimentation à l’intérieur du boîtier plastique, au centre, en utilisant quatre entretoises plastiques autocollantes, puis fixez le circuit en CMS sur le panneau arrière et enfin, le circuit de commutation sur le panneau avant.

Figure 13 : Si, par erreur, vous appliquez le signal qui parvient par l’antenne sur la BNC de sortie, plutôt que sur celle d’entrée, le circuit ne sera pas endommagé car il sera électriquement isolé par les deux condensateurs C1 et C35.

La réalisation pratique
Avant de commencer, vous devrez réaliser ou vous procurer les circuits imprimés et rassembler tous les composants donnés dans la liste.
Comme l’étage des 5 filtres passe-bande référencé KM.1466 est un composant en CMS déjà réglé et testé, vous n’aurez plus qu’à monter l’étage d’alimentation ainsi que l’étage de commutation.
Si vous commencez le montage de l’alimentation, vous pouvez débuter par la mise en place du pont de redressement RS1 et des condensateurs électrolytiques C37 et C40. Comme d’habitude, veillez à l’orientation des pattes en vous référant à la figure 9.
Poursuivez en insérant le circuit intégré stabilisateur IC2, en dirigeant le côté métallique de son corps vers les deux condensateurs polyester C39 et C38.
En dernier, vous pouvez insérer le transformateur d’alimentation T1 et les deux borniers pour la tension de secteur 220 volts et pour l’interrupteur S2.
Une fois l’alimentation terminée, prenez le circuit imprimé de commutation sur lequel vous devez mettre en place l’interrupteur S2, le commutateur rotatif S1, les cinq résistances ainsi que les diodes LED.
Vous pouvez commencer le montage, en insérant sur le circuit imprimé l’interrupteur S2, puis le commutateur S1, après avoir raccourci son axe à l’aide d’une scie à métaux, afin de ne pas vous retrouver avec un bouton trop éloigné de la face avant.
Pour savoir de combien il faut le raccourcir, fixez momentanément le circuit imprimé sur la face avant du boîtier, puis enfoncez au maximum le bouton sur l’axe. La distance mesurée entre la face avant et le bouton vous indique la longueur excédante qu’il faut couper.
Une fois cette opération terminée, insérez les 5 diodes LED sur le circuit imprimé, en dirigeant leurs pattes les plus courtes (les cathodes) vers la droite, c’est-à-dire vers le commutateur S1.
Avant de souder les pattes de ces diodes LED sur le circuit imprimé, n’oubliez pas de contrôler leur longueur.
Pour cela, fixez à nouveau le circuit imprimé sur le panneau avant et positionnez les diodes LED de façon à ce que leurs têtes sortent légèrement des 5 trous qui se trouvent sur le panneau avant : c’est seulement à ce moment-là que vous pourrez les souder.
Si vous regardez la figure 7, vous pouvez remarquer que le circuit en CMS des 5 filtres passe-bande doit être soudé sur les deux broches centrales des connecteurs BNC que vous aurez préalablement montées (sans les serrer) sur le panneau arrière du boîtier.
Avant de souder la sortie des BNC sur les pistes en cuivre du circuit imprimé, vous devez contrôler que le trou ENTREE soit placé sur la gauche et le trou SORTIE, sur la droite.
Une fois les sorties des deux connecteurs BNC soudées, vous devez relier la cosse métallique de la masse sur le circuit imprimé (voir figure 9), à l’aide d’un morceau de fil de cuivre nu.
Après avoir fixé le circuit de commutation sur le panneau avant et le circuit des filtres en CMS sur le panneau arrière, mettez en place l’étage d’alimentation à l’intérieur du boîtier, en le fixant à l’aide d’entretoises plastiques munies d’une base adhésive. Inspirez-vous des figures 12 et 13.
Pour terminer le montage, il ne vous reste plus qu’à relier entre eux les trois circuits imprimés, en utilisant des morceaux de fil de cuivre étamé multibrin gainé plastique (voir figure 9).
Lorsque vous reliez les fils d’alimentation de 12 volts aux deux circuits imprimés, vous devez être particulièrement attentif à ne pas inverser le fil positif et le fil négatif. C’est pour cette raison que sur le dessin nous les avons colorés en rouge et noir.
A l’aide de 5 morceaux de fil, ou bien d’une nappe à 5 conducteurs, reliez les broches 1, 2, 3, 4 et 5 qui se trouvent sur le circuit imprimé des diodes LED aux broches 1, 2, 3, 4 et 5 qui se trouvent sur le circuit des filtres passe-bande en faisant bien attention à la numération. Dans le cas contraire, vous verriez s’allumer la diode LED de la gamme allant de 20 à 40 MHz et en fait, ce serait alors le filtre de la gamme allant de 320 à 450 MHz qui serait actif.
Une fois le montage terminé, pour savoir si le préamplificateur exerce correctement sa fonction, il vous suffit d’appliquer n’importe quelle antenne sur son entrée et de relier sa sortie, à l’aide d’un morceau de câble coaxial, à un récepteur couvrant la gamme à recevoir.
Vous remarquerez instantanément que si vous n’utilisez pas le préamplificateur, l’aiguille du S-mètre déviera pour les signaux plus faibles en début d’échelle, tandis que si vous utilisez le préamplificateur, l’aiguille déviera à mi-échelle ou plus, même pour ces mêmes signaux.
Si vous captez des signaux très forts, la déviation de l’aiguille du S-mètre pourrait ne pas être aussi évidente en raison de la CAG, c’est-à-dire de la Commande Automatique du Gain, en les atténuant afin d’éviter que le récepteur ne sature.

Important : Si vous reliez le préamplificateur à la prise antenne d’un émetteur-récepteur, n’oubliez pas d’insérer un commutateur à relais qui le déconnecte lorsque vous passez en émission.
Dans le cas contraire, si vous appliquez la puissance HF débitée par l’émetteur directement à la sortie du préamplificateur, le module des filtres sera immédiatement transformé en chaleur et en lumière !

Un amplificateur stéréo Hi-Fi en classe A

Les amateurs d’audio les plus exigeants, même s’ils savent qu’un étage amplificateur classe A-B débite plus de puissance qu’un ampli classe A, préfèrent la configuration de ce dernier en raison de sa faible distorsion. Pour satisfaire ces amateurs, nous vous proposons, dans cet article, un ampli stéréo classe A équipé de deux transistors MOSFET de puissance par canal.


Si i la majorité des amateurs audio préfère les amplificateurs en classe AB pour la puissance élevée qu’ils peuvent débiter, les plus exigeants, par contre, ne veulent que des amplificateurs en classe A, même s’ils offrent moins de puissance.
Pour satisfaire ces derniers, nous avons monté un amplificateur stéréo capable de débiter une puissance de 12 + 12 watts RMS, si on relie des enceintes de 8 ohms sur ses sorties, et une puissance de 24 + 24 watts RMS avec des enceintes de 4 ohms.
Etant donné que, comme vous le savez, 12 watts RMS correspondent à 24 watts musicaux et 24 watts RMS à 48 watts musicaux, nous pouvons vous assurer que ces puissances sont plus que suffisantes pour écouter votre musique préférée sans toutefois déclencher une émeute dans votre voisinage.
Ceux qui voudront doubler cette puissance devront seulement relier en parallèle deux autres MOSFET identiques aux deux transistors MFT1 et MFT2 déjà présents dans le circuit, comme sur la figure 2, et remplacer le transformateur d’alimentation T1 par un transformateur ayant un secondaire capable de débiter 30 volts sous 3 ampères.
Avant de passer à la description du schéma électrique, voici les caractéristiques techniques que nous avons relevées sur nos prototypes.
Comme vous pouvez le remarquer, la distorsion harmonique oscille autour de 0,03 % pour toute la gamme audio.

Caractéristiques techniques
Tension de travail maximale .......................... 35 volts
Courant maximal absorbé .............................. 1,4 ampère
Impédance de charge .................................. 8 ou 4 ohms
Distorsion harmonique ................................ 0,03 %
Bande passante ....................................... 8 Hz-60 kHz
Signal d’entrée maximal .............................. 0,7 volt RMS
Puissance maximale sur 8 ohms ........................ 12 + 12 watts RMS
Puissance maximale sur 4 ohms ........................ 24 + 24 watts RMS

Le signal BF maximal pouvant être appliqué sur l’entrée de l’amplificateur ne doit pas dépasser 0,7 volt RMS, ce qui correspond à 2 volts crête à crête.
Si le préamplificateur duquel vous prélevez le signal devait vous fournir un signal d’amplitude supérieure, il vous suffira de remplacer la résistance R10, qui, sur notre schéma, est de 100 kilohms, par une résistance de 68 kilohms. Vous pourrez également placer un trimmer ou un potentiomètre de 100 kilohms à l’entrée (voir figure 3), que vous pourrez utiliser comme contrôle du volume.

Le schéma électrique
Sur la figure 1, nous vous présentons le schéma électrique d’un seul canal.
L’autre canal est, évidemment, absolument identique !
Comme vous pouvez le voir, pour réaliser un seul canal, il faut deux transistors NPN (voir TR1 et TR2), trois transistors PNP (voir TR3, TR4 et TR5), ainsi que deux MOSFET de puissance canal N de chez Toshiba, référencés 2SK2150, ou simplement K2150.
Les MOSFET de puissance que nous avons utilisés comme ampli ont les caractéristiques techniques suivantes :
Tension maximale drain-source ........................ 500 volts
Tension maximale gate-source ......................... ± 30 volts
Courant maximal du drain ............................. 15 ampères
Résistance RDS ON .................................... 0,29 ohm

Le signal de BF que nous appliquons sur l’entrée, atteint, en passant à travers la résistance R1 et le condensateur C1, la base du transistor TR1 qui constitue, avec le transistor TR2, un étage d’entrée différentiel.
La valeur de 200 kilohms des résistances R2 et R3 qui polarisent la base du transistor TR1 ne doit pas vous sembler erronée. En effet, ces résistances servent à déterminer avec précision le point de repos du différentiel qui doit être très exactement égal à la moitié de la tension d’alimentation.
Lorsque la moitié de la tension d’alimentation se trouve sur la base du transistor TR1, les deux MOSFET sont alimentés à l’aide de la moitié de la tension, on obtient donc un étage amplificateur qui travaille de façon parfaitement symétrique.
Ces résistances sont à 1 %. Par rapport aux résistances ordinaires, elles ont 5 bagues de couleur au lieu de quatre. Les 5 bagues de couleur sont ainsi disposées :
rouge = 2
noire = 0
noire = 0
orange = 000
marron = 1 (tolérance 1 %)

Deux de ces résistances sont utilisées pour R2 et R3 et les deux autres doivent être reliées en parallèle aux condensateurs électrolytiques C8 et C9 (voir R20 et R21).
Nous vous faisons remarquer que les émetteurs des transistors TR1 et TR2 sont reliés par l’intermédiaire des résistances R5 et R7 à la diode référencée DZC1, qui n’est autre qu’un stabilisateur de courant de type E507.
Bien qu’extérieurement semblable à un transistor plastique ordinaire, on trouve, à l’intérieur de son corps, un FET ainsi qu’une résistance (voir figure 4).
Cette diode de stabilisation de courant alimente les deux émetteurs du différentiel avec un courant constant de 2 milliampères, même si la tension présente sur ses broches devait varier de 3 à 50 volts, et cette caractéristique nous permet d’obtenir une linéarité parfaite du signal préamplifié.
Sur les deux collecteurs des transistors TR1 et TR2, on trouve le signal BF amplifié et déphasé de 180° qui atteint directement les bases des deux transistors PNP référencés TR3 et TR4.
Le transistor TR3 est utilisé pour piloter la gate du MOSFET MFT1, tandis que le transistor TR4 est utilisé pour piloter la gate du MOSFET MFT2.
Les deux émetteurs des transistors pilote TR3 et TR4 sont reliés, par l’intermédiaire des résistances R9 et R11, sur le collecteur du transistor PNP référencé TR5 dont la base est reliée au curseur du trimmer R15.
Ce trimmer, comme nous vous l’expliquerons dans le chapitre “calibrage”, sert à régler le courant au repos de l’étage amplificateur de puissance.
La résistance NTC1, reliée à la base du transistor TR5, par l’intermédiaire de la résistance R16, a la fonction de réduire de façon automatique le courant au repos des MOSFET dès que la température de leurs corps dépasse les valeurs maximales permises.
Les diodes zener DZ1 et DZ2 de 9,1 volts, reliées en parallèle aux résistances R12 et R13, empêchent que des signaux supérieurs à 9,1 volts atteignent la gate des MOSFET et ne les endommagent.
Comme vous pouvez le voir sur la figure 1, le signal amplifié en puissance est prélevé sur la jonction source-drain des MOSFET MFT1 et MFT2.
Telle que nous l’avons conçue, la connexion de l’enceinte pourrait vous paraître étrange. En effet, normalement, l’enceinte est connectée, d’un côté, sur un condensateur électrolytique de capacité élevée et, de l’autre côté, à la masse.
Le condensateur électrolytique relié en série à l’enceinte, empêche la tension positive, présente au repos sur la jonction source-drain (17,5 volts dans cet amplificateur), d’être appliquée sur la bobine du haut-parleur. En son absence, ladite bobine serait détruite et l’amplificateur pourrait être endommagé.
Toutefois, en utilisant un condensateur électrolytique, on entend un “toc” dans l’enceinte chaque fois que l’on allume l’amplificateur. Ce “toc” est provoqué par le courant qui parcourt le condensateur électrolytique en phase de charge.
Pour éliminer ce son désagréable, nous avons relié deux résistances de 200 kilohms (voir R20 et R21) en parallèle aux deux condensateurs électrolytiques de capacité identique (voir C8 et C9). De cette façon, on trouvera sur leur jonction exactement la moitié de la tension d’alimentation, c’est-à-dire 17,5 volts.
Si on mesure la tension présente entre la jonction source-drain des deux MOSFET et la jonction des deux condensateurs électrolytiques C8 et C9 à l’aide d’un multimètre, on relèvera une valeur de 0 volt. On peut donc relier une enceinte sur ces deux points, certains qu’elle ne sera pas parcourue par un courant qui pourrait l’endommager.

Figure 1a : Schéma électrique d’une voie de l’amplificateur classe A équipée de deux MOSFET de puissance.

Liste des composants pour un canal de l’ampli
R1 = 10 kΩ
R2 = 200 kΩ 1 %
R3 = 200 kΩ 1 %
R4 = 2,2 kΩ
R5 = 18 Ω
R6 = 2,2 kΩ
R7 = 18 Ω
R8 = 4,7 kΩ
R9 = 150 Ω
R10 = 100 kΩ
R11 = 150 Ω
R12 = 2,7 kΩ
R13 = 2,7 kΩ
R14 = 680 Ω
R15 = 10 kΩ trimmer
R16 = 4,7 kΩ
R17 = 1,5 kΩ 1/2 watt
R18 = 1,5 kΩ 1/2 watt
R19 = 10 Ω 1/2 watt
R20 = 200 kΩ 1 %
R21 = 200 kΩ 1 %
NTC1 = NTC 2,2 kΩ
C1 = 1 μF polyester
C2 = 100 pF céramique
C3 = 100 microF. électrolytique
C4 = 47 pF céramique
C5 = 22 pF céramique
C6 = 22 pF céramique
C7 = 100 nF polyester
C8 = 1000 μF électrolytique
C9 = 1000 μF électrolytique
DS1 = Diode 1N4007
DS2 = Diode 1N4007
DZC1 = Stab. courant E507
DZ1 = Zener 9,1 V 1 W
DZ2 = Zener 9,1 V 1 W
TR1 = NPN BC174
TR2 = NPN BC174
TR3 = PNP BC256
TR4 = PNP BC256
TR5 = PNP BC256
MFT1 = MOSFET 2SK2150
MFT2 = MOSFET 2SK2150
H.P. = Haut-parleur 8 ou 4 Ω
Sauf indication contraire, toutes les résistances sont des 1/4 de watt à 5 %.

Figure 1b : Brochages d’un MOSFET vu de face ainsi que des deux transistors NPN et PNP vus du dessous.

Figure 2 : Si vous voulez doubler la puissance de sortie de l’ampli vous devez seulement relier deux autres MOSFET en parallèle aux deux MOSFET MFT1 et MFT2 déjà présents.

Figure 3 : On pourra insérer un trimmer ou un potentiomètre pour régler le volume sur l’entrée de cet ampli, en le reliant de la même manière que sur ce dessin.

Figure 4 : Les connexions de la diode de stabilisation du courant DZC1 (E507), vues du dessous.
Cette diode permet de faire traverser un courant stabilisé et constant de 2 milliampères sur les émetteurs de TR1 et TR2.


L’étage d’alimentation
Vous trouverez le schéma de l’étage d’alimentation à utiliser pour une installation stéréo sur la figure 5.
La tension des 30 volts que l’on prélève sur le secondaire du transformateur T1 est redressée par le pont RS1 puis filtrée par l’intermédiaire du condensateur électrolytique C5. De cette façon, on retrouve à ses bornes une tension continue d’environ 42 volts.
On prélève les 35 volts stabilisés nécessaires pour alimenter les deux MOSFET MFT1 et MFT2 de l’un des deux canaux sur la sortie du circuit intégré IC1, un LM317 et les 35 volts stabilisés nécessaires pour alimenter les deux MOSFET MFT1 et MFT2 de l’autre canal sur la sortie du circuit intégré IC2, également un LM317.
On prélève une tension stabilisée de 40 volts sur l’émetteur du transistor TR2 et on l’applique sur les transistors TR5 des deux canaux droit et gauche pour régler le courant au repos des MOSFET.
Les deux diodes DS1 et DS2 reliées à l’émetteur du transistor PNP, référencé TR1, servent à faire augmenter progressivement les tensions de sortie de 35 et 40 volts, chaque fois que le circuit est alimenté.

Figure 5a : Pour alimenter l’étage amplificateur stéréo il faut une alimentation qui fournisse deux tensions séparées, l’une de 35 volts 1 ampère, l’autre de 40 volts, nécessaire pour alimenter le transistor TR5 (voir figure 1).

Liste des composants de l’alimentation
R1 = 10 kΩ
R2 = 220 Ω
R3 = 10 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 220 Ω
R6 = 10 kΩ
R7 = 10 kΩ
R8 = 10 kΩ
R9 = 820 Ω
C1 = 100 nF polyester
C2 = 100 nF polyester
C3 = 100 nF polyester
C4 = 100 nF polyester
C5 = 10000 μF électrolytique
C6 = 10 μF électrolytique
C7 = 100 μF électrolytique
C8 = 100 μF électrolytique
C9 = 10 μF électrolytique
C10 = 10 μF électrolytique
DS1 = Diode 1N4148
DS2 = Diode 1N4148
DS3 = Diode 1N4007
DS4 = Diode 1N4007
DS5 = Diode 1N4148
RS1 = Pont redres. 400 V 6 A
DZ1 = Zener 5,1 V 1/2 W
DZC1 = Stab. courant E507
DL1 = Diode LED
TR1 = PNP ZTX753
TR2 = NPN ZTX653
IC1 = Régulateur LM317
IC2 = Régulateur LM317
T1 = transfo. 60 W (TT06.1470) 30 V 2 A - 10 V 0,2 A
F1 = fusible 1 A
S1 = Interrupteur
Toutes les résistances sont des 1/4 de watt à 5 %.

Figure 5b : Brochages des transistors ZTX653 - ZTX753 et de la diode de stabilisation E507, vus du dessous. Brochage du régulateur LM317 vu de face.

Figure 6: Pour allumer la diode LED montée sur le panneau du boîtier, reliez ses broches à la tension alternative par l’intermédiaire d’une résistance de 820 ohms et d’une diode de type 1N4148.

La réalisation pratique de l’ampli
Pour monter cet amplificateur classe A, il vous faudra réaliser ou vous procurer les circuits imprimés nécessaires ainsi que tous les composants.
Un circuit imprimé est nécessaire pour chaque canal. Des circuits professionnels double face sérigraphiés à trous métallisés sont disponibles. Si vous réalisez vous-même ces circuits à l’aide des figures 7b et 7c, n’oubliez pas les indispensables liaisons entre les deux faces.
Comme les deux canaux sont parfaitement identiques, nous décrivons le montage d’un seul canal que vous n’aurez plus qu’à copier pour obtenir également l’autre canal.
Les premiers composants que nous vous conseillons d’insérer sont toutes les résistances ainsi que le trimmer R15.
Après les résistances, vous pouvez insérer les diodes zener DZ1 et DZ2, qui ont un corps en verre, en orientant leur bague vers la gauche (voir figure 7a).
Insérez à côté des diodes zener les diodes au silicium DS1 et DS2, qui ont un corps plastique, en orientant toujours le côté de leur corps marqué d’une bague vers la gauche.
Poursuivez le montage en insérant les condensateurs céramiques, les condensateurs polyesters puis les électrolytiques, en veillant à respecter la polarité de leurs pattes.
Une fois cette opération terminée, prenez le stabilisateur de courant DZC1 qui a deux pattes, l’anode et la cathode, et qui a les mêmes dimensions qu’un transistor.
Ce stabilisateur doit être inséré à côté du condensateur électrolytique C3 en orientant la partie plate de son corps vers les résistances R10 et R8, de façon à ce que la cathode soit reliée à la masse.
Prenez les deux transistors NPN BC174 et insérez-les dans les emplacements marqués TR1 et TR2, en orientant la partie plate de leurs corps vers le bas.
Les trois transistors PNP BC256 doivent être insérés aux emplacements marqués TR3, TR4 et TR5, en orientant la partie plate de leurs corps comme sur la figure 7.
Pour terminer le montage, soudez des picots dans les trous servant à fixer la résistance NTC, le câble blindé d’entrée ainsi que le fil des 40 volts.
Pour finir, soudez les trois borniers à 2 pôles.
Le premier bornier à gauche vous servira pour faire entrer la tension positive de 35 volts que vous pourrez indifféremment insérer dans l’un des 2 trous.
Le second bornier, placé à proximité de la résistance R19, vous servira pour prélever le signal à appliquer sur l’enceinte ou le haut-parleur.
Le troisième bornier, c’est-à-dire celui qui se trouve à droite du circuit imprimé, vous servira pour faire entrer le fil de masse de l’alimentation que vous pourrez indifféremment insérer dans l’un des 2 trous. Ce fil de masse doit nécessairement être relié au bornier de l’étage d’alimentation (voir figure 12), car autrement, vous pourriez entendre dans l’enceinte le ronflement provoqué par le courant alternatif.
Pour terminer le montage de l’ampli, il ne manque plus que la résistance NTC1 et les deux MOSFET MFT1 et MFT2, que vous devez tout d’abord fixer sur le radiateur de refroidissement (voir figure 9) avant de souder leurs pattes sur le circuit imprimé.
L’axe de la résistance NTC1 doit être vissé dans le trou taraudé qui se trouve sur le corps du radiateur de refroidissement.
Comme vous pouvez le voir sur la figure 11, le corps des deux MOSFET doit également être fixé au radiateur de refroidissement à l’aide d’une vis et d’une rondelle isolante, sans oublier d’interposer l’isolant mica entre le corps du MOSFET et le radiateur.
Après avoir fixé les deux MOSFET, nous vous conseillons de contrôler si leurs corps métalliques sont parfaitement isolés du radiateur de refroidissement à l’aide d’un multimètre, afin d’éviter des courts-circuits sur les 35 volts positifs.
Vous pouvez à présent fixer aux deux extrémités les petites équerres en L qui vous serviront pour maintenir le circuit imprimé fixé au radiateur de refroidissement.
Après avoir inséré les broches des deux MOSFET dans les trous du circuit imprimé, soudez-les ainsi que les deux fils qui sortent de la NTC1, que vous souderez aux picots placés à côté de R16.

Figure 7a : Schéma d’implantation de l’un des canaux. Comme cela vous a été expliqué dans le texte, les deux MOSFET et la résistance NTC1 ne doivent être soudés au circuit imprimé qu’après que ce dernier ait été fixé au radiateur de refroidissement à l’aide de deux équerres en forme de L (voir figure 9).


Figure 7b et 7c : Dessins à l’échelle 1 du circuit imprimé double face.
Si vous réalisez vous-même ce circuit, n’oubliez pas les liaisons indispensables entre les deux faces.


Figure 8 : Photo de l’un de nos premiers prototypes. Sur le circuit imprimé des prototypes, il n’y a pas de dessins des composants, ni même de vernis protecteur, que vous trouverez par contre sur les circuits professionnels.

Figure 9: Après avoir monté tous les composants de la figure 7a sur le circuit imprimé, vous pourrez fixer l’étage amplificateur à son radiateur, en utilisant deux équerres en forme de L. Une fois cette opération terminée, soudez les broches des deux MOSFET et les fils de la NTC1.

Figure 10 : Photo de l’étage amplificateur de l’ampli avec ses deux MOSFET ainsi que son radiateur.
Pour réaliser un ampli stéréo, il faut deux de ces circuits.


Figure 11: Comme le côté métallique des MOSFET doit être électriquement isolé du métal du radiateur, n’oubliez pas d’interposer un isolant mica entre les deux surfaces.
Nous vous conseillons de contrôler, à l’aide d’un multimètre, que les corps métalliques des MOSFET soient parfaitement isolés du métal du radiateur.


La réalisation pratique de l’alimentation
Vous devez monter tous les composants de la figure 12a sur le circuit imprimé donné en figure 12b. Un circuit professionnel sérigraphié est également disponible.
Nous vous conseillons de commencer par insérer toutes les résistances, puis les diodes au silicium qui ont un corps de verre DS1 et DS2, en orientant le côté de leur corps marqué d’une bague vers le bas, comme sur la figure 12a.
Insérez à côté les deux diodes au silicium, DS3 et DS4, qui ont un corps plastique, en orientant le côté de leur corps marqué d’une bague vers le haut.
Une fois cette opération terminée, prenez le stabilisateur de courant référencé DZC1 qui, comme nous l’avons déjà expliqué, a seulement deux pattes, A et K, et insérez-le au-dessus du condensateur électrolytique C9 en orientant la partie plate de son corps vers le condensateur électrolytique C5, de façon à ce que la cathode soit reliée à la base du transistor TR2.
Insérez la diode zener DZ1, de 5,1 volts à gauche du condensateur électrolytique C9. Le côté de son corps marqué d’une bague noire doit être orienté vers le haut.
Lorsque vous montez les deux transistors, vous devez lire attentivement la référence gravée sur leur corps, parce que l’un d’eux est un PNP et l’autre, un NPN et que vous risquez de les endommager si vous les inversez.
Le transistor ZTX753, qui est un PNP, doit être inséré dans les trous correspondant à la référence TR1, en orientant la partie plate de son corps vers la gauche, tandis que le transistor ZTX653, qui est un NPN, doit être inséré dans les trous correspondant à la référence TR2, en orientant la partie plate de son corps vers la droite.
Normalement, la référence de ces transistors est gravée sur le côté arrondi de leur corps et non pas sur le côté plat, comme cela serait plus logique.
Après ces composants, vous pouvez insérer le pont redresseur RS1, en orientant la broche + vers le condensateur électrolytique C5, puis tous les condensateurs polyesters et enfin, les électrolytiques en respectant la polarité +/- de leurs pattes.
Insérez les borniers à 2 pôles, desquels vous prélèverez les deux fils des +35 volts et de la masse, aux deux côtés du circuit imprimé et un troisième bornier, sur lequel vous prélèverez la tension de +40 volts, également nécessaire pour alimenter l’ampli stéréo, sous le condensateur électrolytique C5.
Le quatrième bornier, placé à côté du pont redresseur RS1, vous permettra d’obtenir une tension alternative de 30 volts fournie par le transformateur toroïdal d’alimentation T1.
En ce qui concerne ce transformateur, les deux fils noirs sont toujours ceux du primaire des 220 volts, les fils rouges sont ceux du secondaire et les deux bleus, ceux des 10 volts qui vous serviront pour allumer les diodes des VU-mètres.
Pour finir, fixez les deux circuits intégrés stabilisateurs IC1 et IC2 sur les radia teurs de refroidissement en forme de U que vous appuierez sur le circuit imprimé en les maintenant bloqués à l’aide de deux vis, afin d’éviter que les broches des circuits intégrés ne se cassent.

Figure 12a : Schéma d’implantation de l’étage d’alimentation. Pour ce montage, nous avons utilisé un transformateur toroïdal bien qu’il soit plus coûteux qu’un transformateur ordinaire, parce qu’il ne génère aucun ronflement. Normalement, les fils du primaire de 220 volts de ce transformateur sont noirs, ceux du secondaire de 30 volts sont rouges et ceux des 10 volts sont bleus (contrôlez l’étiquette qui se trouve sur son corps). Il est préférable de relier le fil de terre de la prise secteur des 220 volts à l’aide d’une vis sur le métal du boîtier.

Figure 12b : Dessin à l’échelle 1 du circuit imprimé de l’alimentation.

Figure 13: Les corps des deux stabilisateurs de tension LM317, référencés IC1 et IC2, (voir figure 5) doivent être fixés aux deux radiateurs de refroidissement en forme de V. Nous vous conseillons de fixer les deux radiateurs au circuit imprimé à l’aide de deux vis pour éviter les vibrations.

La mise en boîte
La mise en place dans le boîtier n’appelle aucun commentaire particulier.
Les photos des figures 14 et 16 sont assez parlantes pour éviter tout verbiage inutile !
Le circuit imprimé de l’étage d’alimentation doit être fixé sur le fond du boîtier à l’aide d’entretoises plastiques avec base adhésive, de façon à maintenir une distance entre les pistes du circuit imprimé et le métal du boîtier.
Les VU-mètres sont équipés d’un petit circuit imprimé fourni avec eux et qui devra être monté comme indiqué sur les figures 15a et 15b.

Figure 14a : Les deux amplis sont placés sur les côtés du boîtier métallique et l’étage d’alimentation au centre.

Figure 14b : Pour éviter les courts circuits, lorsque vous fixerez les prises bananes servant pour le raccordement des enceintes sur le panneau arrière, n’oubliez pas de monter leur rondelle isolante comme indiqué sur ce schéma.

Figure 15a : Si vous souhaitez appliquer deux VUmètres sur la face avant, vous pourrez utiliser le modèle LX.1115.

Liste des composants pour 1 VU-mètre
R1 = 10 kΩ 1/4 watt
R2 = 10 kΩ trimmer
C1 = 10 μF électrolytique
C2 = 4,7 μF électrolytique
DS1-DS2 = Diodes 1N4150
μA = Galvanomètre 150 μA


Figure 15b : Pour allumer la diode du VU-mètre, prélevez la tension alternative de 10 volts du transformateur T1.

Figure 16a : Vue de l’intérieur de l’ampli depuis la face avant. Malgré le peu de composants, vous obtiendrez un ensemble très performant qui satisfera les plus exigeants.

Figure 16b : Après avoir fixé l’étage d’alimentation au centre du boîtier, appliquez les tensions d’alimentation de 35 et 40 volts nécessaires, sur les deux amplis placés des deux côtés du boîtier, comme sur ce dessin.

Le calibrage
Une fois le montage de l’ampli terminé, avant d’appliquer un quelconque signal de BF sur l’entrée, il faut calibrer le trimmer R15 en procédant comme suit :
- Reliez les deux tensions de 35 et 40 volts de l’alimentation à un seul des deux amplificateurs, peu importe s’il s’agit de celui du canal droit ou celui du canal gauche.
- Avant d’allumer l’étage d’alimentation, tournez au maximum le curseur du trimmer R15 dans le sens contraire des aiguilles d’une montre de façon à ce que la tension maximale de 40 volts puisse atteindre la base du transistor TR5.
- Reliez en série un multimètre à la tension de 35 volts commuté sur la valeur 1 ampère à fond d’échelle CC, en orientant la pointe de touche du positif vers l’étage d’alimentation et celle du négatif vers l’ampli.
- Court-circuiter les douilles d’entrée afin d’éviter que des signaux indésirables n’entrent, puis reliez une enceinte sur la sortie de l’ampli.
- Mettez sous tension et, si vous avez réglé le curseur du trimmer R15 comme nous vous l’avons demandé, vous lirez alors sur le multimètre une valeur de courant nulle, c’est-à-dire de 0 ampère.
- A présent, tournez lentement le curseur du trimmer R15 et vous verrez augmenter le courant. Lorsque vous aurez atteint un courant de 0,7 ampère, le calibrage de ce canal sera terminé.
Cette valeur n’est pas très critique.
Donc, même si vous réglez à 0,65 ou 0,75 ampère, cela ne modifiera en rien les caractéristiques de l’ampli.
Pour calibrer l’autre canal, vous devez déconnecter les fils des tensions positives de 35 et de 40 volts du canal que vous avez déjà calibré pour les relier au deuxième canal. Ensuite, répétez exactement toutes les opérations que nous venons de décrire.
Une fois le calibrage des deux trimmers R15 terminé, vous pouvez relier les tensions d’alimentation de 35 et de 40 volts sur les deux canaux.
Votre nouvel ampli stéréo est désormais prêt pour vous faire apprécier sa fidélité de reproduction.

Un chargeur hautes performances pour batteries plomb-gel

Voici un circuit qui permet de recharger les accumulateurs de 6 ou 12 volts à électrolyte solide (plomb-gel ou lead-acid en anglais).
Il est parfaitement adapté aux batteries installées sur les motos, mais également et surtout à celles utilisées dans l’appareillage électronique comme les batteries-tampon dans les systèmes d’alarme par exemple.
Il ne présente aucune limite particulière sur le plan de la capacité et signale même le déroulement des différentes phases à l’aide de trois diodes LED. Simple et compact, il est entièrement géré par un circuit intégré de la marque Unitrode.


Nous ne vous apprendrons rien en vous disant que, quel que soit le type d’accumulateur électrique (NiCd, NiMH, au plomb ou au plomb-gel), une fois libérée l’énergie emmagasinée, il doit, évidemment, être rechargé.
Cette opération peut être effectuée en appliquant simplement une tension continue entre les deux bornes de l’accumulateur, tout en interposant une résistance nécessaire pour limiter le courant de charge. Cette méthode très simple, pour ne pas dire simpliste, présente toutefois quelques inconvénients : la batterie n’est jamais chargée à 100 % et le temps de charge est très long.
C’est pour ces raisons qu’un chargeur bien conçu doit présenter certaines caractéristiques spécifiques et qu’il doit être en mesure, avant tout, d’effectuer une charge à l’aide d’un courant constant, de signaler la charge optimale et de pouvoir fournir une tension de maintien lorsque la batterie est chargée.

De quoi s’agit-il ?
Le montage que nous vous proposons dans cet article est un chargeur spécialement conçu pour les accumulateurs au plomb-gel. Ses prestations sont excellentes grâce à l’utilisation d’un circuit intégré spécial de chez Unitrode.
Il suffit d’alimenter le montage à l’aide du secondaire d’un transformateur de 7,5 ou 15 volts (en fonction de la tension de la batterie, qui est de 6 ou de 12 volts) et tout se fera automatiquement, sans qu’il soit nécessaire de contrôler les courants de charge, de maintien, etc.
C’est par l’intermédiaire d’une entrée spécifique ainsi que d’une résistance de chute, que le composant “voit” le courant débité. Par l’intermédiaire d’une autre entrée, il “surveille” l’élévation de la tension entre les bornes de la batterie. Il peut ainsi “savoir” quand il doit suspendre la charge.
Le circuit intégré utilisé est un UC3906, c’est-à-dire un microcontrôleur dip à 2 x 8 broches, placé à l’intérieur d’un boîtier plastique dont vous trouverez le brochage en figure 1 et le schéma synoptique en figure 2. Sur ce dernier, vous pouvez observer une unité de contrôle, quelques comparateurs servant à relever les seuils de tension et de courant, un limiteur (qui intervient lorsque la consommation en sortie devient par trop excessive…), une commande à transistors, ainsi qu’un régulateur fournissant la tension de référence utilisée par les comparateurs.
On peut ainsi résumer le fonctionnement du UC3906 dans notre application: dès qu’il est alimenté, il fournit un faible courant à la batterie afin d’éviter des surcharges (ce qui est tout à fait possible dans le cas du court-circuit d’un élément…) puis il attend que celui-ci atteigne un certain niveau avant de commencer la véritable charge, à l’aide d’une valeur de courant qu’il est facile de choisir, grâce à un commutateur permettant d’insérer des résistances opportunes dans le circuit de limitation.
Dès lors, la charge s’effectue jusqu’à ce que le circuit intégré relève une diminution de la valeur du courant débitée.
La batterie est alors considérée comme étant chargée et le dispositif débite le courant de maintien.

Le circuit intégré UC3906

Figure 1 : Brochage du UC3906.

Le principal composant du chargeur de batterie est un circuit intégré produit par Unitrode référencé UC3906. Celui-ci contient cinq comparateurs, un générateur de tension de référence, une unité de contrôle à FLIP-FLOP, un étage pilote pour un transistor externe et un contrôleur de tension d’alimentation.
Un premier comparateur est relié aux broches 2 et 3. Il permet de relever le courant qui se dirige vers la batterie, c’est-à-dire à mesurer la consommation du premier niveau de courant de charge (charge lente). L’entrée non-inverseuse est connectée à la broche 3, tandis que l’entrée inverseuse est polarisée avec 25 millivolts positifs. Dans cette circonstance, la sortie reste au niveau logique 0 jusqu’à ce que la broche 2 devienne plus négative d’au moins 25 millivolts par rapport à la broche 3. Lorsque cette condition est atteinte, la sortie commute du 0 au 1 logique et le transistor de sortie devient conducteur.
L’autre comparateur sert à la protection, c’est un limiteur de courant.
Son entrée non-inverseuse est polarisée à l’aide de la tension d’entrée, tandis que son entrée inverseuse est reliée à la broche 4 où elle reçoit une polarisation positive de 250 millivolts. Lorsque ce comparateur enregistre une tension inférieure d’au moins 250 mV par rapport à la broche 5 (sous l’effet du courant qui traverse la résistance fixant le niveau de charge), le circuit de protection contre la surcharge intervient alors.
En fait, la sortie du comparateur se place au niveau logique haut et bloque le dispositif, en interdisant le fonctionnement du transistor externe (T1, dans le cas qui nous occupe).
La protection est réversible, c’est-à-dire qu’en l’absence de surcharge, le dispositif se débloque lui-même.
Nous vous faisons remarquer que la broche 1, sortie du “Current Sense”, peut être utilisée pour commander une diode LED qui indique la lecture de la consommation normale de la batterie.
La broche 7 permet d’insérer une diode LED qui indique la présence de la bonne tension d’alimentation, tandis que, sur la broche 9, on peut relier une troisième diode LED qui indique la surcharge.
Il y a également trois comparateurs chargés de relever les tensions de la batterie.
Celui qui est connecté à la broche 13 est polarisé par une tension produite par la valeur de la tension de référence. Il indique le moment où la valeur permettant de passer à la charge rapide est atteinte (seuil minimal qui peut être atteint seulement si l’accumulateur est intègre).
Celui qui est connecté à la broche 12 reconnaît le moment où la différence de tension en sortie arrive à la pointe au-delà de laquelle la charge doit se poursuivre de façon lente.
Le dernier comparateur, c’est-à-dire celui qui a la broche non-inverseuse directement polarisée par la valeur de tension de référence, sert, essentiellement, à bloquer le dispositif si la tension de la batterie est trop haute, au-delà du maximum prévu.
Evidemment, pour utiliser correctement ces comparateurs, il faut calculer de façon opportune les résistances R11, R12 et R13, avec lesquelles on peut établir le seuil minimal de tension pour lancer la charge rapide ainsi que la valeur de pleine charge.
En général, le minimum est établi autour de 3,5 volts et le maximum, autour de 10 volts.

Figure 2 : Schéma synoptique du UC3906.

Figure 3 : Caractéristiques électriques du circuit intégré UC3906.
Conditions de test : TA = TJ de 0 °C à +70 °C et VIN = 10 V.


L’étude du schéma
Pour mieux comprendre ce qui se passe, il faut analyser le circuit et donc le rôle du circuit intégré UC3906, phase par phase.
Commençons par regarder le schéma électrique de la figure 4. On remarque immédiatement que le microcontrôleur est configuré selon les instructions du constructeur, et qu’il travaille donc selon le principe du double seuil.
Une fois le primaire du transformateur alimenté, le secondaire fournit sa tension au pont de redressement PT1, qui restitue alors des impulsions sinusoïdales, toutes positives, mises à niveau et converties en une différence de tension continue par le condensateur électrolytique C1.
Le circuit intégré UC3906 prélève donc l’alimentation dont il a besoin sur la broche 5, tandis que la broche 3 sert à alimenter le comparateur de surveillance du courant (Current Sense).
Ce dernier fait partie de l’un des blocs principaux du composant. Il sert à mesurer le passage du courant dans la batterie. Son seuil de commutation est fixé de manière interne à 25 millivolts, alors qu’il est normalement au repos (open-collector). Lorsque le courant mesuré sur une résistance spécifique dépasse une valeur qui rend la broche 2 négative de plus de 25 millivolts par rapport à la broche 5, la sortie CS se place à un niveau logique bas.
L’autre comparateur important est le limiteur de courant (Current Limit) relié à la broche 4. Il a une polarisation interne de 250 mV. Le comparateur se déclenche en désactivant l’unité qui commande le dispositif de sortie, ainsi que le dispositif lui-même, en interrompant le débit du courant à la batterie lorsque la broche 4 devient plus négative (d’au moins 250 mV…) que la broche 5.
L’intervention reste provisoire étant donné qu’en l’absence de court-circuit ou de consommation excessive, le dispositif recommence à piloter le transistor externe.
Ce transistor est T1, un PNP de puissance ayant la base polarisée par la broche 16. Il est indispensable pour fournir le courant servant à la charge de la batterie (limitée à 1 ampère).
Ceci étant dit, nous en avons terminé avec la partie qui opère les contrôles sur le courant et nous pouvons donc poursuivre avec l’analyse des circuits qui relèvent la tension de la batterie.
L’un est connecté aux broches 11 et 12, tandis que l’autre est connecté à la broche 13. Le premier utilise un comparateur dont l’entrée non-inverseuse est reliée au positif de sortie du générateur de référence interne (+2,3 volts), tandis que l’entrée inverseuse est reliée à la broche 12.
La sortie du comparateur est normalement au niveau logique haut, tandis que lorsque la tension relevée dépasse 2,3 volts, elle commute du niveau logique 1 au niveau logique zéro (bas).
Les résistances R10, R11 et R12 doivent être dimensionnées de façon à établir des valeurs de seuil déterminées, c’est-à-dire les tensions pour lesquelles on souhaite que les comparateurs interviennent.
Pour simplifier les choses, on peut dire que par, l’intermédiaire de l’entrée ENA (broche 12), le microcontrôleur relève la pointe de tension, c’est-à-dire le moment où l’on peut considérer que la batterie est complètement chargée.
L’autre entrée, c’est-à-dire celle reliée à la broche 13, relève la tension de l’accumulateur déchargé et décide quand le circuit intégré doit passer de la charge initiale (à faible courant), à la charge normale (à courant fort).
A ce propos, cette même broche est commune au comparateur de Voltage Amp et au Sense: le premier présente, sur sa sortie, le niveau logique haut jusqu’au moment où la différence de tension entre les bornes devient plus basse que le seuil établi, c’est-à-dire le moment où la tension contribue au déroulement de la charge normale. Dès que l’accumulateur se stabilise sur une tension égale à celle considérée comme étant la tension maximale admise (charge complète), la sortie passe au niveau logique zéro et bloque le dispositif du PNP T1.
Le second comparateur est destiné à relever la valeur minimale qui sert à déclencher le débit du courant normal : au début, le chargeur fournit un faible courant pour préparer les éléments et éviter que le court-circuit de l’un d’eux ne provoque une consommation excessive.
Puis, au fur et à mesure que la charge s’effectue lentement, la différence de tension entre les bornes augmente jusqu’à ce que la broche 13 devienne plus positive que la connexion interne correspondante (0,95 x tension de référence, lorsque la sortie du comparateur est au niveau logique haut, ou 0,9 x tension de référence, lorsqu’elle est au niveau logique zéro : il se produit donc une hystérésis qui permet de garantir la précision de la commutation).
Ainsi, le Sense Comparator place la sortie au niveau logique bas, en faisant en sorte que l’unité de commande active le débit du courant normal.

Figure 4 : Schéma électrique du chargeur d’accus plomb-gel hautes performances.

Figure 5 : Schéma d’implantation des composants du chargeur et brochages de la LED, du transistor et du pont.

Figure 6 : Photo du prototype du chargeur.

Figure 7 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du chargeur.

Liste des composants
R1 = 1 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 10 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 0,27 Ω
R6 = 1 Ω
R7 = 1 Ω
R8 = 2,2 Ω
R9 = 330 Ω
R10 = 6,8 kΩ
R11 = 560 Ω
R12 = 1,5 kΩ
R13 = 10 kΩ
R14 = 1 Ω
C1 = 2200 μF 35 V éléctrolytique
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 100 nF multicouche
DZ1 = Zener 5,1 V
LD1 = LED verte
LD2 = LED rouge
LD3 = LED jaune
LD4 = LED verte
U1 = Intégré UC3906
T1 = Transistor PNP TIP127
PT1 = Pont redresseur 20 V 5 A
S1 = Commutateur 1 C 4 P

Divers :
1 Support 2 x 8 broches
8 Bornier 2 pôles
1 Radiateur mod. T88/40
1 Prise banane à vis rouge
1 Prise banane à vis verte
1 Bouton pour axe Ø 6 mm
1 Transfo P 230 V S 7,5 V - 10 VA
ou
1 Transfo P 230 V S 15 V - 20 VA
ou
1 Transfo P 230 V S 7,5 V et 15 V - 20 VA
1 Porte fusible de châssis
1 Fusible 230 V - 100 mA
1 Interrupteur secteur double
1 Inverseur 15 V - 2 A (si transfo 2 tensions)
1 Circuit imprimé réf. S331.


Figure 8 : Photo du circuit monté et du radiateur de T1.

L’analyse du fonctionnement
A présent que nous savons comment fonctionnent les différents étages, nous pouvons analyser le fonctionnement de notre chargeur de batterie, en partant du moment où il est alimenté. Tant que rien n’est raccordé sur les bornes de sortie, le composant reste au repos et ne consomme que quelques milliampères.
En connectant un accumulateur déchargé entre les bornes + et –, le processus commence.
En premier lieu, une vérification est effectuée afin de contrôler qu’il n’y ait pas de courts-circuits parmi les éléments, pendant que le transistor T1 débite le courant initial, le plus bas, étant donné que le dispositif interne est polarisé en fonction du niveau porté par le comparateur C/S (Current Sense). En pratique, la consommation de la batterie ne dépasse pas 1/10 de la tension maximale admise et dépend essentiellement de la valeur de la résistance insérée entre les broches 3 et 5, ainsi qu’entre les broches 2 et 4.
Ce même comparateur relève les 25 millivolts de chute entre les broches et le Current Limit relève les 250 millivolts qui tombent dans le cas où il y aurait une demande de courant excessive à la sortie du circuit.
Au début, l’unité est commandée en fonction de l’état de la sortie du C/S et éteint le dispositif intégré et donc T1, lorsque le seuil de courant imposé en fonction de la résistance choisie est dépassé (nous verrons d’ici peu quelles sont les valeurs obtenues pour les différentes positions possibles du commutateur S1…).
Remarquez que pendant cette phase, la diode LED LD4 reste allumée en permanence.
Elle ne s’éteindra qu’à la fin de la charge, c’est-à-dire lorsque l’accumulateur se déconnectera.
Pendant ce temps, le “Sense Comp” contrôle la montée en tension de la batterie et, lorsque celle-ci dépasse le seuil minimal, fait en sorte que l’unité active le débit maximal du courant : pour cela, la lecture du comparateur de C/S reste momentanément ignorée (LD4 restant tout de même allumée) et seule celle du “Current Limit” est prise en compte, pour des raisons de sécurité évidentes. Donc, le dispositif débite la valeur établie par la résistance insérée à ce moment-là.
Grâce au commutateur S1, on peut fixer 4 seuils de courant nominal de charge, les minimales (initiales) restant égales à 1/10 (parce que les seuils des comparateurs de C/S et C/L sont respectivement 25 et 250 millivolts).
En faisant un rapide calcul, nous constatons que si on laisse seulement la résistance R8, la valeur limite avant laquelle intervient la protection contre la surcharge est d’environ 110 milliampères (11 mA de courant initial), tandis que si l’on règle le curseur de S1 vers R7, le parallèle R7/R8 se forme, et la résistance globale est alors de 0,52 ohm.
Le seuil maximal correspondant est d’environ 300 milliampères.
Si l’on règle le commutateur sur la troisième position, c’est alors le parallèle R6/R8, dont la valeur de résistance détermine la limitation du courant à environ 500 milliampères, qui se forme.
Pour finir, la dernière position du S1 impose une résistance équivalente à 0,24 ohm ainsi qu’une limite de consommation égale à 800 mA.
Vous devez clairement choisir les paramètres en fonction des caractéristiques de la batterie à recharger: par exemple, pour un élément de 1 A/h, il n’est pas conseillé d’effectuer la charge avec 800 mA (quatrième position de S1), il est préférable de rester à 300 mA.
Revenons à présent aux phases de fonctionnement et reprenons à partir du démarrage de la charge normale à courant fort : tout se poursuit normalement, à moins que des problèmes n’interviennent, tel qu’une consommation excessive due à la rupture de certains éléments. Dans un cas semblable, la surcharge est relevée et le chargeur limite la valeur débitée à celle établie avec le commutateur.
Au même moment, la diode LED de surcharge reliée à la broche 9, LD3 s’allume et nous indique l’état de surcharge, ou bien que la batterie est déjà chargée.
Si, au contraire, les choses se passent normalement, les deux diodes LED LD3 et LD4 doivent rester éteintes.
Après un court instant, la véritable phase de charge commence et nous est signalée par l’intermédiaire de la diode LED LD4 qui s’allume.
C’est à ce moment-là que la tension entre les bornes + et – atteint une valeur qui va faire commuter le comparateur relié à la broche 12, de sorte que le UC3906 conclut alors que la charge est terminée. Cette phase est signalée par l’intermédiaire de la diode LED LD3 qui s’allume : le circuit débite seulement le courant de maintien.
Avant de passer à l’aspect pratique du montage, il faut tout d’abord rappeler que le chargeur de batterie que nous vous proposons ici est conçu pour des accumulateurs de 6 ou 12 volts. Evidemment, le transformateur relié à l’entrée doit être choisi de manière appropriée.
Pour les éléments de 12 volts, la tension alternative d’entrée pourra être de 15 V, tandis que pour ceux de 6 V elle pourra être de 7,5 V. Ceci étant dit, nous pensons que vous êtes à présent en mesure de pouvoir utiliser au mieux le chargeur.

La réalisation pratique
La première étape consiste à réaliser ou à vous procurer le circuit imprimé dont le dessin, à l’échelle 1, est donné en figure 7.
Vous devrez également réunir tous les composants donnés dans la liste.
Le circuit imprimé gravé et percé est prêt à recevoir les composants. En vous référant au schéma d’implantation de la figure 5 et à la photo du prototype de la figure 6, commencez tout d’abord par mettre méthodiquement en place les résistances ainsi que le support de l’UC3906, puis les condensateurs, en faisant bien attention à la polarité des électrolytiques.
Installez ensuite le transistor de puissance PNP (un Darlington…) en veillant à ce que la partie métallique de son corps soit dirigée vers l’extérieur du circuit imprimé, afin qu’il puisse être fixé à un dissipateur ayant une résistance thermique d’environ 8 °C/W (T88/40 par exemple).
N’oubliez pas de mettre en place le pont de redressement, en suivant les indications du schéma d’implantation de la figure 5 et en veillant à son orientation.
Le montage est prévu pour être contenu dans un boîtier qui doit être de dimensions suffisantes pour recevoir le circuit imprimé, le radiateur du T1 ainsi que le transformateur d’alimentation.
Il doit être pourvu d’ouïes d’aération afin de permettre l’évacuation de la chaleur rayonnée par le dissipateur lorsque le transistor de puissance fonctionne en débitant un certain courant.
Les figures 9 et 10 vous aideront dans la compréhension de ce qui suit.
Sur la face avant, vous monterez les quatre diodes LED, en les reliant à leurs positions respectives sur les borniers à l’aide de petits morceaux de fil. A ce propos, nous vous rappelons que la cathode d’une LED est la patte la plus courte, sortant du côté du méplat.
En ce qui concerne la couleur, vous pouvez choisir celle qui vous convient.
Néanmoins, nous vous conseillons d’utiliser deux diodes vertes pour LD1 et LD2, une jaune pour LD3 (batterie chargée) et une rouge pour LD4 (état de charge).
Le commutateur à 1 circuit 4 positions doit également être placé en face avant et relié au bornier du circuit imprimé à l’aide de quatre fils. Commencez par raccorder le commun du commutateur à la borne marquée “C”, puis, poursuivez en raccordant la deuxième position à la borne “2” (R7), la troisième à “3” (R6) et la quatrième à “4” (R5). La première position (100 mA) n’est pas raccordée au bornier car la résistance R8, qui détermine le courant de charge le plus faible, est en permanence dans le circuit.
Enfin, et toujours sur la face avant, vous mettrez en place deux bornes du type qui vous convient, l’une rouge et l’autre noire. Connectez la première au “OUT +” et la seconde au “OUT –” du circuit imprimé.
Fixez le porte-fusible (avec son fusible 230 V - 100 mA) et l’interrupteur par lequel on alimente le primaire du transformateur sur l’arrière du boîtier et reliez-le à ce dernier (en faisant bien attention à l’isolation des jonctions). Le cordon, muni d’une prise de secteur, traversera la face arrière dans un passe-fil en caoutchouc et sera soudé sur l’interrupteur.
A propos du transformateur, nous vous rappelons qu’il doit être choisi en fonction de la tension de la batterie à charger : en effet, notre montage est adapté, tant pour les accumulateurs de 6 volts que pour ceux de 12 volts. Donc, dans le premier cas, le secondaire doit être de 7,5 V, tandis que dans le second cas, il doit être de 15 V.
Si vous décidez d’utiliser un transformateur à deux secondaires, pour vous réserver la possibilité de charger des batteries de 6 ou de 12 volts sans construire un second chargeur, utilisez un inverseur pouvant supporter au moins 2 ampères sous 15 volts et ne le basculez pas lorsque le secteur est appliqué au primaire. Cet inverseur pourra également être placé sur la face arrière.
Le courant doit toujours être proportionnel à celui pouvant être débité, c’est-à-dire d’au moins 1 ampère.
Pour résumer : pour charger des batteries de 6 V, il faut un transformateur avec un secondaire de 7,5 V - 10 VA, tandis que pour celles de 12 V, il faut un transformateur avec un secondaire de 15 V, 20 VA. Le primaire doit évidemment être de 230 V - 50 Hz.
Une fois toutes les connexions effectuées, l’appareil est prêt à fonctionner et vous pouvez donc l’essayer. Mettez-le sous tension, puis vérifiez que les diodes LED LD1 et LD2 s’allument et que les diodes rouge et jaune restent éteintes.
Reliez une batterie déchargée aux bornes + et – de la sortie (faites attention à la polarité !), puis vérifiez que seule la diode LED LD4 s’allume.
La diode LED LD3 doit rester éteinte, à moins qu’il y ait un court-circuit sur la sortie.

Figure 9 : Le circuit est monté dans le boîtier. Pour notre prototype, nous avons utilisé un transformateur torique (hi-tech oblige !) 15 V - 20 VA, apte à charger des batteries de 12 V. Pour des batteries de 6 V, un transformateur avec secondaire de 7,5 V - 10 VA suffit. Il n’est pas indispensable d’utiliser de tels transformateurs.

Figure 10 : Vue du chargeur terminé. Sur la face avant se trouvent les diodes LED de signalisation “Power”, “Over Charge”, “PWR Indicate” et “Current Sense” ; le bouton de sélection du courant de charge (100, 300, 500 et 800 mA) ainsi que les deux douilles pour connecter la batterie à charger.

Figure 11: Une batterie classique au plomb-gel.

Figure 12: Les phases de charge du chargeur de batterie.

Le circuit intégré UC3906 permet de charger une batterie en trois phases distinctes. La première (STATE 1) coïncide avec le début de la charge (remarquez que du point A au point B, la charge s’effectue avec un courant minimal pour permettre de relever d’éventuels courts-circuits) et se termine lorsque la tension de charge atteint le niveau V12 (point C).
La phase 2 (STATE2) est signalée lorsque la diode LED “Over Charge” s’allume. La charge se poursuit alors de façon normale jusqu’à ce que la tension demandée par la batterie descende jusqu’à “Ioct”.
La phase 3 (STATE 3) commence une fois la phase de charge terminée. Le circuit fournit un courant de maintien minimal afin d’éviter que la batterie ne se décharge.

Figure 13 : Pendant les essais, le chargeur de batterie testé a donné d’excellents résultats, tant sur le plan du temps de charge que sur le plan de la fiabilité.

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