Une Alimentation à Masse Virtuelle

Une Alimentation à Masse Virtuelle

La majorité d'entre nous avons sur notre établi une alimentation de laboratoire. Elle délivre souvent une tension comprise entre 0 et 30V et un courant de 1A à 3A.
Elle dispose généralement d'une deuxième sortie 5V, et même quelque fois d'une autre sortie 12V.

Cela convient dans la majeure partie des cas de montages courants, mais que faire lorsque l'on doit travailler sur un montage à base d'amplificateur opérationnel qui le plus souvent réclame une alimentation symétrique ?

Rappelons à cette occasion que l'amplificateur opérationnel lui-même n'a pas obligatoirement besoin d'une alimentation à point milieu, mais ce sont souvent les contraintes du montage qui l'imposent, comme en audio par exemple.
Disposer d'une alimentation symétrique lorsque l'AOP doit traiter des signaux alternatifs dispense de polariser les entrées à VCC / 2. Cela peut dispenser également d'ajouter des condensateurs de liaison.

Nous allons étudier dans cet article la réalisation d'un petit montage permettant d'obtenir une alimentation symétrique à partir d'une source de tension unique qui sera notre alimentation de laboratoire.

Il pourra donc être branché sur la sortie d'une alimentation de laboratoire simple et fournir deux tensions symétriques avec un point milieu. On obtiendra par exemple 2x15V à partir d'une tension unique de 30V.

Ce montage pourra dans une large mesure s’accommoder de composants courants qui traînent dans les fonds de tiroirs.

Elle pourra également s’accommoder d'une alimentation pauvrement filtrée étant donné qu'elle possède ses propres condensateurs de filtrage. Il est possible d'utiliser des valeurs de 470µF à 15000µF.

Elle pourra également fonctionner à partir d'une alimentation à transformateur mono-tension simplement redressée :

1. Les limitations

Ce module sera limité en tension et en courant par le choix des composants :

• limitation de l'amplificateur opérationnel : souvent +/- 18V
• les condensateurs de sortie : 25V
• la tension de sortie maximale de l'alimentation de labo : souvent 30V

Le courant maximal de sortie sera celui fixé par l'alimentation de laboratoire.

Il faut bien comprendre un point important :

Cette alimentation est un simple circuit de masse virtuelle composé d'un amplificateur opérationnel et de deux transistors de puissance. Voici un schéma classique :

Le circuit se contente de créer un point milieu sur une alimentation de laboratoire existante, et cela engendre un courant nul ou faible dans les transistors de puissance si la charge est équilibrée (courant du rail positif = courant du rail négatif).

Les transistors de puissance ne dissipent pratiquement rien tant que la charge est équilibrée, ce qui est généralement le cas lorsque l'on travaille sur des AOPs.
Je l'ai testée avec succès à 1A et elle reste froide.
Il faut bien comprendre que ce courant de 1A ne circule pas dans les transistors de puissance :

Charge équilibrée 100Ω + 100Ω

Lorsque la consommation est déséquilibrée par contre, l'AOP de l'alimentation cherche à corriger ce déséquilibre et envoie plus de courant dans la base de l'un des deux transistors de puissance pour maintenir la tension du point milieu à sa bonne valeur.
Il en découle qu'un seul des deux transistors peut être conducteur à un instant donné et dissiper des calories.
Lorsque le rail positif consomme plus de courant que le rail négatif, le transistor du rail négatif se met à conduire et vice-versa :

Charge déséquilibrée 100Ω

Il faut bien avoir à l'esprit qu'une consommation déséquilibrée dans un montage à amplificateurs opérationnels est une situation anormale qui peut être due à une erreur de schéma ou de mauvaises valeurs de résistances.
Mais l'alimentation proposée est capable de le supporter dans une très large mesure.

C'est pour cette raison que ses transistors de puissance sont équipés de dissipateurs. Avec les modèles utilisés l'alimentation pourra admettre une différence de courant de 250mA entre le rail positif et le rail négatif, ce qui est très amplement suffisant.
On peut même envisager 500mA à condition de l'équiper de dissipateurs plus conséquents.
Les transistors choisis (TIP120 et TIP125) supportent 5A.

Un deuxième point important :

Si l'alimentation de laboratoire possède une sortie 5V - comme c'est souvent le cas - celle-ci, pour être utilisable en même temps que la sortie principale, doit posséder une masse séparée.

Si l'on utilise cette alimentation à masse virtuelle pour alimenter des amplificateurs opérationnels et la sortie 5V pour alimenter un processeur, ARDUINO par exemple, deux cas peuvent se présenter :

1er cas : les circuits logiques 5V et analogiques ne sont pas reliés électriquement et donc leurs masses sont séparées. C'est le cas par exemple dans un circuit audio où le processeur n'est là que pour assurer des fonctions logiques de commutation de relais.
Dans ce cas, il n'y a aucun problème. Que les masses soient isolées ou non n'a pas d'importance.

2è cas : les circuits logiques 5V et analogiques sont reliés électriquement et donc leurs masses sont communes. C'est le cas dans un montage où le processeur doit analyser les signaux analogiques amplifiés ou filtrés par la partie analogique.
Dans ce cas, les masses doivent être reliées.
Le problème dans ce cas est que si les masses de la sortie 5V et de la sortie principale sont communes et que l'on relie la masse du 5V et la masse virtuelle, cela revient à court-circuiter le rail négatif de l'alimentation virtuelle.

Il convient donc de vérifier à l'aide d'un ohmmètre que les masses de la sortie 5V et de la sortie principale soient séparées. Rassurez-vous, c'est généralement le cas. Sur les deux alimentations que je possède, une HQ Power  et une Matrix, les masses sont bien isolées entre elles. Mais cela ne sera pas forcément le cas sur une alimentation chinoise bas de gamme.

Un autre cas peut se présenter : l'alimentation de laboratoire ne possède pas de sortie 5V. Dans ce cas, on pourra utiliser le rail positif de l'alimentation virtuelle pour prélever un peu de courant qui alimentera un régulateur 5V ou 3.3V pour le processeur. Elle le supportera sans problème.

2. Le matériel

Pour réaliser cette alimentation, il faut réunir le matériel suivant :

• 1 amplificateur opérationnel OPA134 ou LM4562
• 1 transistor TIP120, 1 transistor TIP125
• 2 résistances 15KΩ de préférence 1%
• 1 potentiomètre multi tours 100Ω
• 2 résistances 5.6KΩ
• 2 résistances 2.2Ω 3W
• 4 diodes 1N4148 
• 2 condensateurs 100pF céramique
• 2 condensateurs 100nF film polyester
• 2 condensateurs 470µF à 15000µF électrolytiques
• 2 résistances 3.9KΩ
• 1 LED verte ou bleue, 1 LED rouge
• 1 inverseur double 
• 1 connecteur 2 broches au pas de 3.96 ou 2.54
• 1 connecteur 3 broches au pas de 3.96 ou 2.54
• 2 dissipateurs pour transistors TO220(ou 1 seul pour 2 transistors)

L'amplificateur opérationnel OPA134 a des qualités intéressantes :

• alimentation +/- 2.5V à +/- 18V
• très faible bruit

On peut le remplacer bien entendu par d'autres AOP ayant le même brochage :

• LM741
• alimentation +/- 10V à +/- 15V
• très bas de gamme, il conviendra pour des essais, sans plus.
• TL071, TL081
• alimentation +/- 5V à +/- 15V
• faible bruit
• LM4562 (excellent)
• alimentation +/- 2.5V à +/- 17V
• très faible bruit
• etc.

La qualité du montage, et surtout son niveau de bruit, dépendra bien sûr de la qualité de l'AOP.

Les TIP120 / TIP125 sont très courants, mais on peut éventuellement remplacer ces transistors en boîtier TO220 par d'autres modèles, y compris en boîtier TO3.
Le gain devra être important (> 1000).
La carte prévoit l'implantation directe de transistors à brochage BCE, mais on peut utiliser d'autres brochages sous réserve de les connecter à la carte par des fils (ou de modifier le PCB).
J'ai essayé avec succès une paire de MJ900 / MJ1000 qui traînaient au fond d'un tiroir depuis une trentaine d'années.

Le potentiomètre 100Ω du type Bourns 3296W :

On en trouve partout y compris sur les sites revendeurs chinois.

Si l'on utilise des résistances 15KΩ à 1% de précision on peut même s'en passer et le court-circuiter.

La carte offre la possibilité d'implanter différents condensateurs chimiques :

• 2200µF 25V ⌀19mm x 40mm axial (modèles anciens)
• 3300µF 25V ⌀16mm x 40mm axial (modèles récents)
• 470µF à 15000µF radial avec différentes distances entre pattes (5mm, 7.62mm, 10mm)

L'inverseur que j'ai utilisé (un modèle horizontal pour PCB) :

Celui-ci est utilisable également (un modèle vertical pour PCB) 

Si l'on ne dispose pas d'un inverseur pour PCB, n'importe quel autre inverseur double peut être fixé sur le boîtier et raccordé à la carte par 4 fils de 0.5mm2.

Les connecteurs d'entrée et de sortie peuvent être choisis parmi les nombreux modèles existants au pas de 2.54 ou 3.96 :

JST VH (3.96) : 10A

NS25 ou KF2510 (2.54) : 3A

JST XH (2.54) : 3A

Dupont (2.54) : 1A

La carte propose les deux implantations au pas de 2.54 et 3.96.
Sachez toutefois qu'un connecteur Dupont n'est pas le meilleur choix. Les contacts ne sont pas d'une qualité extraordinaire - surtout les contacts femelle -  et supportent au maximum 1A.

Il est possible bien évidemment de souder les fils directement sur la carte, sans connecteurs.

Un morceau de dissipateur de 80mm x 15mm peut accueillir les deux transistors :

Dans ce cas, comme le collecteur de chaque transistor est relié à son boîtier métallique il faudra l'isoler électriquement du dissipateur avec du matériel adapté :

Si l'on utilise deux dissipateurs séparés on peut s'en passer. J'ai choisi ceux-ci :

 STONECOLD RAD-DY-GF/3

 STONECOLD RAD-DY-KY/3

Ces dissipateurs sont malheureusement trop hauts si l'on veut loger le PCB dans un boîtier de faible hauteur, ou alors il faudra les recouper ou choisir d'autres modèles.
Mais si l'on envisage de laisser la carte sur colonnettes pour l'utiliser sur table, cela ne pose pas de problème.

3. Le schéma

Le schéma est réalisé à l'aide de KICAD.

Pour récupérer le projet voir plus bas :  5. Téléchargements.

On peut facilement essayer ce montage sur une breadboard.

On voit un certain nombre d'implantations multiples. Ceci est dû à l'obligation dans le logiciel Kicad d'avoir un composant schématique pour chaque empreinte sur le PCB :

• connecteur d'entrée et de sortie (au pas de 2.54 ou 3.96)
• P1 et P2 au pas de 3.96
• ou
• P3 et P4 au pas de 2.56
• transistors :
• Q1 et Q2 : TIP120 et TIP125 avec dissipateur RAD-DY-KY/3
• ou
• Q3 et Q4 : TIP120 et TIP125 avec dissipateur RAD-DY-GF/3
• condensateurs de filtrage
• C3 et C4 : 2200µF axial
• C5 et C6 : 470µF à 2200µF radial
• C9 et C10 : 4700µF radial
• C11 et C12 : 10000µF ou 15000µF radial

Il faudra faire des choix en fonction des composants que l'on a à sa disposition, ou en fonction de l'approvisionnement possible. Pour ma part j'ai choisi ceux-ci :

• connecteurs au pas de 3.96mm : P1 et P2
• dissipateur à ailettes 80mm x 15mm. J'ai donc implanté Q3 et Q4
• anciens condensateurs 2200µF axiaux que j'avais en stock
  

Les empreintes sur le PCB se recouvrent (connecteurs et condensateurs) ou sont voisines (transistors). Il faut simplement percer les trous aux endroits adéquats correspondant aux composants choisis (voir les photos plus bas).

Le composant principal de ce circuit est un AOP du type OPA134.

A la sortie de l'AOP on trouve deux transistors Darlington TIP120 / TIP125 montés en push-pull. La masse virtuelle se trouve au niveau des points communs entre les deux résistances d'émetteur. Elle est connectée à l'entrée inverseuse de l'AOP.

La sortie de l'alimentation est filtrée par une paire de condensateurs chimiques et une paire de condensateurs polyester et céramique, ceci afin d'offrir de bonnes performances de bruit à différentes fréquences.

Enfin, un interrupteur double permet de commuter la sortie et une LED rouge s'allume lorsque celle-ci est active.

4. La réalisation

Le PCB peut être logé dans un boîtier KRADEX Z80 (89 x 119 x 38mm) sous réserve d'utiliser des composants de maximum 25mm de haut :

Avec ce boîtier on devra se contenter de condensateurs de 4700µF en ⌀16 x 25mm, ce qui est déjà conséquent.

On peut se contenter d'équiper la carte de 4 pieds ou colonnettes pour une utilisation sur table.

Lorsque la carte est montée, il suffit de la raccorder à une alimentation 12V ou 24V pour régler la tension du point milieu à l'aide du potentiomètre et d'un voltmètre.

5. Téléchargements

Projet KICAD : https://bitbucket.org/henri_bachetti/rail-splitter.git

Cette page vous donne toutes les informations nécessaires :
https://riton-duino.blogspot.com/p/migration-sous-bitbucket.html

6. Photos

Le câble d'entrée alimentation :

Côté alimentation : deux fiches banane.
Côté carte : le connecteur JST VH, XH ou KF2510 2 point

Le câble de sortie comportera trois fils,  avec :
Côté carte : le connecteur JST VH, XH ou KF2510 3 points
Côté utilisation : 3 connecteurs mâles Dupont dans le cas où il est prévu d'alimenter un montage sur breadboard, ou un connecteur adapté au montage à alimenter.

La carte avec des condensateurs de 4700µF radiaux + radiateurs RAD-DY-GF/3 :

Les transistors utilisent les empreintes de droite.

La carte avec des condensateurs de 2200µF axiaux + radiateurs RAD-DY-KY/3 :

Les transistors utilisent les empreintes de gauche.

La carte dans son boîtier :

Une troisième solution utilisant un seul dissipateur de 25mm de hauteur avec isolant mica et canons isolants. Les câbles passent dans une ouverture pratiquée à l'arrière du boîtier.

Le boîtier fermé :

7. Tenue en charge

Sur une alimentation en entrée de 24V, le point milieu est réglé sur 12V.
En mesurant la tension aux bornes des résistances de 2.2Ω on obtient le courant :
I = U / R
Sans charge le courant dans les résistances et donc dans les transistors de puissance est de 14mA.

7.1. Charge équilibrée

L'alimentation est dans un premier temps testée avec deux résistances de 15Ω.
La tension en entrée est de 30V. Elle donne bien +/- 15V en sortie.

Le courant dans les résistances de charge est de 1A.

Le courant dans les transistors de puissance est de 14mA, comme dans le test précédent. Cela veut dire que la charge est très équilibrée et que les transistors n'ont pas besoin de compenser un déséquilibre quelconque.

7.2. Charge déséquilibrée

Ensuite l'alimentation est chargée à l'aide d'une résistance de 15Ω sur le rail positif uniquement.
Le courant dans la résistance de charge du rail positif est de 1A.

Le déséquilibre de consommation est de 1A, le voltmètre affiche les tensions suivantes :

• rail positif : 14.90V 
• rail négatif : 15.04V

Le courant dans le transistor de puissance du rail négatif est de 1A.
Le courant dans le transistor de puissance du rail positif est de 0A
Cela veut dire que la charge est très déséquilibrée et que le transistor du rail négatif compense totalement le déséquilibre. Donc il chauffe.

Ensuite l'alimentation est chargée à l'aide d'une résistance de 7.5Ω sur le rail positif uniquement.

Le courant dans la résistance de charge du rail positif est de 2A.

Le déséquilibre de consommation est de 2A, le voltmètre affiche les tensions suivantes :

• rail positif : 14.70V 
• rail négatif : 15.00V

Le courant dans le transistor de puissance du rail négatif est de 2A.
Le courant dans le transistor de puissance du rail positif est de 0A
Le transistor du rail négatif chauffe encore plus. La résistance de 2.2Ω du rail négatif devient brûlante.

Attention, ce déséquilibre est très important et représente une limite extrême à ne pas dépasser. La puissance des résistances de 2.2Ω (3W) est insuffisante, puisque :
P = R I*I = 2.2 * (2*2) = 8.8W
Elles ne tiendraient pas longtemps !

On peut conclure : promesses tenues !

Je n'ai malheureusement pas de résistance de 5Ω pour faire un test court à 3A. De plus je ne pense pas que les résistances de 2.2Ω puissent résister.

7.3. Tenue en température

Toujours avec 30V en entrée, chargée à l'aide d'une résistance de 60Ω sur le rail positif, ce qui donne un déséquilibre de consommation de de 250mA, le dissipateur devient chaud, mais il reste possible de laisser un doigt dessus sans se brûler.
Il est à noter que j'ai utilisé un seul dissipateur, ce qui favorise la dissipation des calories du transistor responsable de la montée en température.

Un autre test avec 30Ω sur le rail positif pousse l'alimentation près de ses limites. Le dissipateur devient très chaud.

7.4. Limitation en courant

Ce circuit de masse virtuelle n'est pas protégé. Seul la limitation en courant de l'alimentation de laboratoire pourra jouer un rôle protecteur en cas de court-circuit sur l'un des deux rails en sortie.

Il est recommandé de régler la limite en courant de celle-ci sur 500mA maximum.

8. Aller plus loin

Si l'on veut rendre cette alimentation encore plus résistante pour qu'elle accepte un déséquilibre plus important c'est possible :

• augmenter sérieusement la taille du dissipateur
• utiliser des résistances de 2.2Ω 10W ou 20W
• utiliser une paire de TIP140 / TIP145 supportant 10A
• charger les pistes de puissance du PCB avec une bonne couche de soudure

Mais personnellement je n'en vois pas l'intérêt.

9. Conclusion

Voici un boîtier qui rendra bien des services aux possesseurs d'alimentation simple désirant travailler sur des AOPs.


Cordialement
Henri

10. Mises à jour

25/06/2019 :  1. Les limitations (ajouts d'explications)
                      7. Tenue en charge
                      7.1. Charge équilibrée
                      7.2. Charge déséquilibrée
                      7.3. Tenue en température
                      7.4. Limitation en courant
                      8. Aller plus loin
26/06/2019 :  1. Les limitations (ajouts de schémas)