Une alimentation stabilisée variable de 5 à 24 V 7 A avec limiteur de courant réglable "Seconde partie et fin : La réalisation"

Si vous avez besoin d’une alimentation capable de fournir une tension stabilisée variable d’un minimum de 5 V à un maximum de 24 V 7 A, avec limiteur de courant réglable en plus, attelez-vous à ce montage : cette alimentation est dotée d’un limiteur de courant paramétrable aux valeurs de 500 mA, 1, 2, 3, 5 et 7 A. Nous allons, dans cette seconde partie, de l’article nous occuper de la réalisation et des réglages de l’alimentation stabilisée variable protégée en courant.



La réalisation pratique
Si vous suivez avec attention les figures 7 à 14 et en particulier la figure 7a, vous ne devriez pas rencontrer de problème pour monter cette alimentation : procédez par ordre, afin de ne rien oublier, de ne pas intervertir les composants se ressemblant, de ne pas inverser la polarité des composants polarisés et de ne faire en soudant ni court-circuit entre pistes et pastilles ni soudure froide collée. Ce sera la première étape, la seconde étant constituée par le montage des composants externes sur le dissipateur, à l’aide, pour certains d’entre eux, d’un second petit circuit imprimé, non percé celui-là.
Quand vous êtes en possession des deux circuits imprimés (dessins à l’échelle 1 des deux circuits imprimés figure 7b-1/7b-2 pour le circuit imprimé principal double face à trous métallisés et 7c pour le petit circuit imprimé simple face du dissipateur), montez tous les composants comme le montre la figure 7a.
Sur le circuit imprimé principal tout d’abord : montez en premier les picots servant aux interconnexions et les deux supports des circuits intégrés, puis vérifiez que vous n’avez oublié de souder aucune broche.
Montez ensuite toutes les résistances, en contrôlant soigneusement leurs valeurs (classez-les d’abord par puissances, 1/4 de W, 1/2 W et par valeurs) et les deux trimmers R13 et R23. Montez maintenant la diode au silicium DS1 et la zener DZ1, bagues noires repère-détrompeurs tournées dans la direction indiquée par la figure 7a.
Montez tous les condensateurs polyesters, en appuyant bien leurs boîtiers à la surface du circuit imprimé et les électrolytiques, en respectant bien la polarité +/– de ces derniers (la patte la plus longue est le + et le – est inscrit sur le côté du boîtier cylindrique).
Montez enfin le transistor TR1, debout, semelle métallique orientée vers R6.
Montez en haut et en bas à gauche le bornier à 3 pôles servant aux connexions avec les E, B et C des Darlington externes, le bornier à 2 pôles pour la connexion aux bornes +/– du pont redresseur RS1 externe et le bornier à 2 pôles pour la sortie variable +/– Vcc et le voltmètre.
Insérez maintenant (à moins que, puristes, vous ne préfériez attendre la fin de l’installation dans le boîtier et que la toute dernière soudure soit refroidie !) les circuits intégrés, repère-détrompeurs en U orientés vers la gauche. C’est terminé pour la platine principale.
Prenez maintenant le dissipateur et le second circuit imprimé, simple face celui-là et non percé. Percez tout d’abord le profilé du dissipateur (comme le montrent les figures 7a, 9 et 10) d’un trou de diamètre 4,5 mm pour fixer le pont redresseur DS1, de six trous de diamètre 2,5 mm pour la fixation des trois résistances de puissance et de trois trous de diamètre 4 mm pour la fixation des trois Darlington.
Mettez un peu de graisse au silicone blanche de contact sur la surface d’échange thermique de RS1 et des trois résistances et bloquez bien les boulons (mais sans excès).
Pour les Darlington, montez-les sur une lame de mica (enduite des deux côtés d’une fine couche régulière de graisse au silicone blanche de contact) et avec des entretoises isolantes (rondelles épaulées ou canons isolants), comme le montre la figure 9, car leurs semelles métalliques ne doivent pas être reliées à la masse constituée par le dissipateur : quand cela est fait avec beaucoup de soin, vérifiez avec la sonde sonore de votre multimètre que ces semelles ne sont pas en court-circuit avec le dissipateur.
Glissez le circuit imprimé simple face non percé sous les pattes des Darlington et les queues des résistances (si vous voulez, vous pouvez le coller avec un peu de colle au silicone ou au cyanoacrylate).
Soudez les pattes de ces composants sur les pastilles et pistes du circuit imprimé et montez “en surface” les trois condensateurs céramiques C6, C7 et C8. Avec deux morceaux de fil de cuivre isolé de diamètre 2,5 mm, reliez les autres extrémités des résistances.
Enfin, préparez les fils E, C (diamètre 2,5 mm) et B (le diamètre peut être plus faible), ainsi que les fils rouge/noir venant des + et – de RS1 : ces fils (repérez-les bien avec la couleur) iront, bien sûr, aux borniers de la platine principale. Soudez alors les quatre condensateurs céramiques C1, C2, C3 et C4 entre les cosses de RS1 (pour éviter toute auto-oscillation).
Vous pouvez maintenant envisager l’assemblage et l’installation dans le boîtier.

Figure 7a : Schéma d’implantation des composants complet (complément figure 8) de l’alimentation. Le circuit imprimé double face à trous métallisés principal (en bas) est interconnecté avec l’autre platine, le dissipateur, le panneau arrière et la face avant par picots (moitié droite) et borniers (moitié gauche). Dans ce dessin d’ensemble, contrairement aux photos, l’interrupteur S1 de M/A a été prévu pour un montage sur le panneau arrière.

Figure 7b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé principal (double face à trous métallisés) de l’alimentation, côté composants.

Figure 7b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé principal (double face à trous métallisés) de l’alimentation, côté soudures.

Figure 7c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du dissipateur (simple face et non percé) de l’alimentation.

Figure 8 : Complément du schéma d’implantation des composants. Le transformateur toroïdal T1 est fixé au fond horizontal du boîtier métallique, à droite, à l’aide de son boulon, de ses deux larges rondelles plastiques et de son flasque profilé en cuvette. Que vous le placiez en face avant (photos) ou sur le panneau arrière, quand vous câblez l’interrupteur S1 de M/A au primaire secteur 230 V de T1, respectez bien la numérotation 1-3 et 2-4 des bornes.

Liste des composants
R1 = 100 O 1/2 W
R2 = 2,2 kO 1/2 W
R3* = 0,27 O 10 W
R4* = 0,27 O 10 W
R5* = 0,27 O 10 W
R6 = 2,2 kO 1/2 W
R7 = 3,3 kO 1/4 W
R8 = 10 kO 1/4 W
R9 = 1 kO 1/4 W
R10 = 1,2 kO 1/4 W
R11 = 15 kO 1/4 W
R12 = 1,5 kO 1/4 W
R13 = 5 kO trimmer
R14 = 4,7 kO 1/4 W
R15 = 4,7 kO 1/4 W
R16 = 2,7 kO 1/4 W
R17 = 1,2 kO 1/4 W
R18 = 680 O 1/4 W
R19 = 330 O 1/4 W
R20 = 1 kO 1/4 W
R21 = 100 O 1/4 W
R22 = 10 kO pot. lin.
R23 = 5 kO trimmer
C1* = 47 nF céramique
C2* = 47 nF céramique
C3* = 47 nF céramique
C4* = 47 nF céramique
C5 = 10 µF. elettrolitico
C6* = 3,3 nF céramique
C7* = 3,3 nF céramique
C8* = 3,3 nF céramique
C9 = 1 000 µF électrolytique
C10 = 100 nF polyester
C11 = 100 nF polyester
C12 = 10 µF électrolytique
C13 = 10 µF électrolytique
C14 = 100 nF polyester
C15 = 100 µF électrolytique
C16 = 10 µF électrolytique
C17 = 10 nF polyester
C18 = 100 nF polyester
RS1* = pont redresseur 400 V 15 A
DS1 = diode 1N4148
DZ1 = zener 24 V 1 W
DL1 = LED
TR1 = NPN BD139
TR2* = NPN TIP142
TR3* = NPN TIP142
TR4* = NPN TIP142
TR5 = PNP BC557
IC1 = intégré LM358
IC2 = intégré LM723
F1 = fusible 2 A
T1 = transfo. 150 W sec. 22 V 7 A
S1 = double inverseur
S2 = commutateur 6 pos.

Note : Les composants marqués d’un astérisque (*) sont montés sur la platine des transistors de puissance.


Figure 9 : Etant donné que les semelles métalliques des Darlington TR2, TR3 et TR4 doivent être isolées du dissipateur, vous devez intercaler entre ces semelles et le dissipateur une feuille de mica isolante. Vous devez aussi enfiler une rondelle épaulée (ou canon) en plastique dans le boulon à l’arrière du dissipateur, comme le montre la figure : le diamètre de perçage est légèrement supérieur à celui de la partie étroite du canon isolant (on trouve dans le commerce spécialisé des “kits” d’isolation comprenant le mica, le boulon et le canon). Vérifiez avec la sonde sonore de votre multimètre que la semelle des Darlington n’est pas en court-circuit avec le dissipateur : faites-le avant d’avoir soudé les pattes.
Pour augmenter le taux d’échange thermique entre la semelle du composant et le dissipateur, enduisez les deux faces du mica d’une fine couche régulière de graisse dissipatrice blanche au silicone.
Vous pouvez en mettre aussi sous les résistances de puissance et sous le pont redresseur.


Figure 10 : Photo d’un des prototypes de la platine dissipateur de l’alimentation. Le circuit imprimé simple face non percé reçoit les pattes des Darlington, les condensateurs de découplage et les queues des résistances de puissance. Sur ce proto, les bases seront reliées entre-elles par une piste de cuivre se trouvant sur la face posée contre le dissipateur ce qui nécessite une isolation. Dans la version définitive, les bases ont été reliées entre-elles côté transistors par du fil isolé de 10/10. On peut alors coller le circuit imprimé sur le dissipateur avec une goutte de colle au silicone ou au cyanoacrylate.

Figure 11 : Photo d’un des prototypes de la platine principale de l’alimentation. Le condensateur électrolytique C5 a des dimensions importantes car il a une capacité de 10 000 µF.

Le montage dans le boîtier
Aucun problème si vous regardez bien les figures 7a, 13 et 14. Fixez tout d’abord au fond horizontal du boîtier métallique, à droite le transformateur toroïdal T1, à l’aide de son boulon et de ses rondelles spéciales (une rondelle plastique dessous et une dessus coiffée par la grosse rondelle métallique) et à gauche (dans le bon sens, comme le montre la figure 13) la platine principale, à l’aide de trois entretoises autocollantes.
Pratiquez un large évidement dans le panneau arrière et fixez-y le dissipateur au moyen de quatre boulons.
Faites deux trous à côté du dissipateur (figure 14) pour le montage du porte-fusible (le fusible F1 fait 2 A, placez-le tout de suite sinon vous risquez d’oublier) et le passage du cordon secteur 230 V à travers le passe-fils en caoutchouc.
En face avant, montez (figure 7a et 13)* les deux douilles banane rouge et noire (n’oubliez pas de monter derrière le panneau les rondelles isolantes avant les écrous plats et les cosses à souder, figure 12), la LED dans son support chromé, le voltmètre (maintenez-le avec des morceaux de ruban adhésif ou des plots de colle thermo-fusible), le potentiomètre de commande des tensions de sortie (raccourcissez l’axe afin de pouvoir ensuite monter le bouton à 2 mm environ de la face avant), le commutateur du contrôle en courant (dont vous raccourcirez l’axe de façon à pouvoir monter le bouton convenablement) et enfin l’interrupteur carré lumineux de M/A (on peut aussi envisager de le monter sur le panneau arrière, comme le suggère la figure 7a).
Il ne vous reste qu’à réaliser les interconnexions entre sous-ensembles et avec les composants de face avant/panneau arrière.
Tout d’abord vissez dans les borniers ou soudez sur les picots les extrémités libres des fils venant du dissipateur (attention de ne pas interpoler les fils EBC, le petit jaune à droite est un E, il va au picot près de R20, ni les fils rouge/noir de RS1).
Câblez les fils du secondaire de T1 (cosses courant alternatif de RS1).
Câblez aussi son primaire (avec du fil de plus petit diamètre) : interrupteur M/A, porte-fusible et cordon.
Câblez toute la face avant : câblez les deux cosses des douilles de sortie avec des fils rouge et noir (au bornier), avec une torsade de fils de petit diamètre rouge et noir reliez le voltmètre (en respectant bien la polarité de ce dernier : le + et le – sont inscrits sur le boîtier), le potentiomètre (sans intervertir les trois fils) va aux picots près de R21, la LED va aux picots près de C16 (respectez bien sa polarité : la patte la plus longue est l’anode +), pour le commutateur on doit faire correspondre les indications de ses fl asques 1, 2, 3, 4, 5, 6 et C (1 et C sont reliées) à celles situées près des picots de droite de la platine principale 6, 5, 4, 3, 2 et 1-C et, si ce n’est déjà fait, l’interrupteur lumineux M/A.
Vérifiez plusieurs fois que vous n’avez rien omis ni surtout rien interverti.
C’est terminé et vous pouvez passer aux réglages.

Figure 12 : Avant de visser* les écrous plats enserrant la cosse à souder sur la tige creuse filetée de la douille derrière le panneau métallique, n’oubliez pas d’enfiler la rondelle isolante, sinon la douille sera court-circuitée à la masse par le premier écrou.

Figure 13 : Montage dans le boîtier métallique. A droite, le transformateur toroïdal T1 fixé au moyen de son boulon et de ses trois rondelles larges (le matériel de fixation est fourni avec chaque transformateur). A gauche la platine principale est fixée par trois entretoises autocollantes. Les bornes + et – du voltmètre son reliées directement aux cosses des douilles de sortie par une fine torsade de fils rouge/noir.

Figure 14 : Le dissipateur est fixé par quatre boulons sur le panneau arrière préalablement évidé. Maintenez, en cours d’utilisation, ce dissipateur un peu éloigné de la paroi verticale de la pièce où vous vous trouvez, de même ne mettez rien sur le dissipateur afin que l’air chaud puisse s’évacuer vers le haut. Si ce dissipateur atteint 40 à 50 °C, ne vous en inquiétez pas, cette température est normale.

Les réglages
Les deux trimmers permettent le réglage de la valeur minimale (R13) et de la valeur maximale (R23) de la tension que l’on souhaite pouvoir prélever à la sortie de l’alimentation. Le minimum peut être de 3 à 6 V, mais avant de commencer le réglage, tournez le potentiomètre R22 entièrement dans le sens anti-horaire. Si vous choisissez 5 V, tournez le curseur de R13 jusqu’à obtenir l’affichage de cette tension sur le voltmètre. Le maximum peut être de 15 à 20 V sans pouvoir dépasser 24 V, mais avant de commencer le réglage, tournez le potentiomètre R22 entièrement dans le sens horaire. Si vous choisissez 15 V, tournez le curseur de R23 jusqu’à obtenir l’affichage de cette tension sur le voltmètre. Attention : vous pouvez régler 20 à 22 V et consommer un courant de 7 A, mais si vous réglez 24 V vous ne pourrez consommer que 6 A au maximum.

La puissance de sortie
Nous avons prévu de tirer un courant de 7 A de cette alimentation, or nous avons monté en parallèle trois Darlington alors qu’un seul peut délivrer 7 A : le motif de ce surdimensionnement est que chaque Darlington ne peut dissiper que 125 W (au-delà il est détruit). Or pour obtenir une alimentation stabilisée en mesure de fournir une tension variant d’un minimum de 5 V à un maximum de 18 V, nous prélevons sur le pont RS1 29,5 V environ. On l’a dit, cette tension est appliquée directement aux collecteurs des trois Darlington. Sur les émetteurs est en revanche prélevée la tension de sortie à appliquer à la charge. La différence entre la tension appliquée au collecteur et celle prélevée sur l’émetteur, multipliée par le courant de sortie, nous donne la puissance électrique que le Darlington doit dissiper sous forme de chaleur. La formule pour connaître les W dissipés est la suivante :

W = (Vin – Vout) x A

Vin est la tension d’entrée présente sur le collecteur, ici 29,5 V. Vout est la tension stabilisée prélevée en sortie sur l’émetteur. A est le courant maximum à prélever, soit 7 A.
Si nous réglions l’alimentation pour une tension de sortie de 18 V et que nous voulions alimenter un circuit consommant un courant de 7 A, un seul Darlington devrait dissiper en chaleur une puissance égale à :
(29,5 – 18) x 7 = 80,5 W

Même si cette valeur “entre” dans les 125 W (maximum dissipable), nous devons prendre en considération que pour dissiper 80,5 W en chaleur il faut un dissipateur conséquent, sinon le boîtier du Darlington verra sa température augmenter toujours davantage jusqu’au point de rupture et à la destruction. Avec trois Darlington en parallèle, nous pouvons distribuer la chaleur totale à dissiper en trois parties de :
80,5 : 3 = 26,83 W

Chaque Darlington doit donc dissiper en chaleur une petite puissance et cela nous permet de prélever un courant élevé sur de longues durées.
Etant donné que les Darlington doivent dissiper en chaleur la différence de puissance existant entre les Vin et les Vout, moindre est la tension stabilisée de sortie, plus grande est la puissance à dissiper en chaleur, bien sûr pour des courants consommés égaux. Si par exemple l’alimentation est réglée sur 5 V et si le circuit alimenté consomme 7 A, en utilisant un seul Darlington ce composant aurait dû dissiper :
(29,5 – 5) x 7 = 171,5 W

La valeur maximale admissible en puissance dissipée étant dépassée et de loin, le Darlington, au bout de quelques secondes aurait été détruit.
Utiliser trois Darlington en parallèle permet, pour ce même exemple, à chacun de n’avoir à dissiper que :
171,5 : 3 = 57,16 W

et cela permet de prélever en sortie le courant maximum sans risquer d’endommager les Darlington.
Les notes utiles ou mini FAQ sur les alimentations et les barbecues Pour finir de manière un peu chaleureuse, nous allons maintenant répondre à quelques-unes des nombreuses questions que vous nous avez posées sur les alimentations et en particulier sur les problèmes de dissipation de chaleur qu’elles posent.

Question 1 : Dans les notices de montage on nous dit que les transistors finaux de puissance ou Darlington ne doivent pas surchauffer, or, quand je mets le doigt dessus je trouve qu’ils sont très chauds, alors que faut-il faire ?

Réponse : Tout objet dont la température dépasse celle de notre corps (37 °C) produit une sensation de chaleur, nous le trouvons chaud.

Avec un thermomètre cependant on peut facilement constater que le boîtier d’un transistor final de puissance ou d’un Darlington que notre doigt trouve très chaud ne dépasse pas, en fait, 50 °C, température de travail normale pour un tel composant. Le point critique est atteint quand la température du boîtier dépasse 100 °C : la jonction interne du transistor ou du Darlington peut alors fondre sous l’effet de la chaleur.

Question 2 : Pourquoi, pour un même courant consommé, les transistors finaux de puissance chauffent-ils beaucoup plus si on prélève la tension minimale d’une alimentation variable que si on en prélève la tension maximale ?

Réponse : Voir le paragraphe précédent de cet article. Si votre alimentation a une tension d’entrée (sortie du pont redresseur) Vin = 30 V et si l’on peut en prélever trois tensions de sortie Vout1 = 18 V, Vout2 = 13 V et Vout3 = 5 V, si d’autre part le transistor final de puissance utilisé peut dissiper un maximum de 95 W, quel courant maximal pourra-telle délivrer sous ces tensions pour que ledit transistor puisse dissiper sa chaleur sans surchauffe ? Cela peut se calculer avec la formule :
A = W : (Vin – Vout)

Avec Vout1 = 18 V l’alimentation pourra délivrer un courant de :
95 : (30 – 18) = 7,91 A maximum

Avec Vout2 = 13 V l’alimentation pourra délivrer un courant de :
95 : (30 – 13) = 5,58 A maximum

Avec Vout3 = 5 V l’alimentation pourra délivrer un courant de :
95 : (30 – 5) = 3,8 A maximum

Cet exemple démontre que pour ne pas surchauffer le transistor, pour une même puissance à dissiper en chaleur, plus faible est la tension de sortie, plus faible est le courant que nous pouvons faire produire à l’alimentation. Si vous voulez prélever seulement 5 V avec un courant de 7 A, l’étage final doit pouvoir dissiper sans surchauffe un courant de :
(30 – 5) x 7 = 175 W


Question 3 : Est-il normal que le dissipateur chauffe exagérément ?

Réponse : C’est simple, si le dissipateur ne chauffait pas, cela signifierait qu’il ne prélève pas de la semelle et du boîtier du transistor de puissance la chaleur produite pour la dissiper dans l’air environnant. L’échange est triple : la chaleur produite par la jonction passe dans la semelle du transistor, de là elle passe dans la semelle et les ailettes du dissipateur proprement dit et enfin des ailettes à l’air ambiant (la surface d’échange doit être la plus grande possible : c’est pour cela qu’il y a des ailettes, pour augmenter cette surface d’échange thermique métal/air). Rappelons encore qu’avec un thermomètre on peut vérifier qu’une température qui nous paraît élevée ne dépasse pas, en fait, 50 ou 60 °C. Enfin, un dissipateur jouera mieux son rôle s’il est à l’air libre que si on l’enferme dans un boîtier (convection naturelle), de plus on peut aussi, au besoin, prévoir une ventilation forcée par ventilateur.

1er partie : La théorie.

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