jeudi 24 janvier 2019

MOSFETS de puissance


MOSFETS de puissance


Rassurez-vous, je ne vais pas vous proposer un cours sur les transistors MOSFET.
Cet article est juste un petit guide de choix. Tous les MOSFETs présentés ici sont très courants et il est possible de se les procurer facilement y compris sur AliExpress, ICI par exemple.

1. La liste

Cette liste comporte 2 onglets MOSFETs canal N ou P (voir en bas).


Bien entendu un lien vous emmènera vers leur datasheet si vous le désirez.

2. Utilisations possibles

2.1. Logic level MOSFETS

Certains se pilotent facilement avec la sortie d'un processeur, y compris sous 3.3V. Leur tension VGSth est très faible. Il sont repérés en vert.
Vous remarquerez les excellents IRL3303 et IRLU3103. L'IRL3303 est obsolète mais se trouve à très bas prix sur AliExpress.
L'IRL540, IRLB8721 et IRLZ44N sont également très intéressants.
IRF520
IRL520
Ces deux courbes sont éloquentes :
Pour être capable de passer 5A le MOSFET devra être commandé avec une tension de grille de :

IRF520 : 5.8V à 25°
IRL520 : 3.3V à 25°

L'IRF520 commandé en 5V sera utilisable seulement jusqu'à 2A.
L'IRL520 commandé en 5V sera utilisable jusqu'à son courant maximal : 9.2A.
 Pour des applications nécessitant un ampérage moyen, le FDN327N est idéal, les petits IRLD024 et IRLD110 en boîtier DIP4 également.

Sachez tout de même que si vous utilisez un transistor ayant une tension VGSth de 4V, si vous le commandez avec une tension de 5V, vous n'obtiendrez par la résistance RDSon précisée dans la datasheet. En effet la résistance RDSon est souvent donnée pour une tension de 10V.
Mais le résultat ne sera pas catastrophique pour autant.

Voir le travail réalisé par un membre du forum ARDUINO ICI.

Le 2N7000 et le BS170 sont à réserver pour des application petite puissance comme du pilotage de relais.

J'ai déjà expliqué ICI comment piloter un relais avec un MOSFET (voir paragraphe 3. Le transistor unipolaire).
Vous trouverez ICI également un article sur l'alimentation d'un module ou d'un capteur avec un MOSFET.

2.2. Modules à MOSFETS

Dans le commerce on trouve couramment des modules équipés d'IRF520, IRF540, peu aptes à être commandés à l'aide d'une tension de 5V :

Mais on trouve également des modules "Logic level" :

IRLR7843

AOD4184

2.3. MOSFETS audio

Certains MOSFETS ont une vocation audio : IRF530, IRFP240, etc. La liste précise quel est leur transistor complémentaire, dans le but de réaliser un étage de puissance.

3. Les boîtiers

A noter : pour un gain de place sur le PCB et surtout une faible hauteur certains MOSFETS existent en boîtiers IPAK ou TO251, beaucoup plus petits que le TO220 :
Les IRLD024 et IRLD110 sont en boîtier DIP4 :


4. Astuce

Comme vous l'aurez peut-être remarqué, la liste est présentée sous forme de feuille de calcul. Il s'agit d'une "Google Sheet" intégrée.
L'astuce se trouve ici :
http://blogavecblogger.blogspot.com/2015/02/integrer-un-fichier-stocke-dans-google.html


Cordialement
Henri

lundi 14 janvier 2019

Alimentations à transformateur



Alimentations à transformateur


Nous allons dans cet article étudier l'art et la manière de réaliser une alimentation redressée, filtrée et régulée.
Bien entendu tous les calculs nécessaires seront expliqués et quelques exemples concrets sont proposés.

Il est possible de concevoir une alimentation à transformateur équipée d'un régulateur linéaire ou à découpage.

Concevoir une alimentation à transformateur peut être de plus l'occasion de réutiliser quelques composants de récupération en particulier un transformateur, quelques condensateurs chimiques ou un dissipateur.

1. Alimentation linéaire contre alimentation à découpage

Commençons par le point négatif :
L'alimentation linéaire a un rendement inférieur donc dissipe plus de calories qu'une alimentation à découpage.

L'alimentation linéaire est à réserver à des application exigeantes en matière de régulation et surtout de bruit. Un bon régulateur linéaire obtiendra toujours de bien meilleurs résultats en matière de bruit en sortie qu'un régulateur à découpage.

Prenons comme exemple un module MEANWELL 230V / 12V 30W comme celui-ci :

Sa précision en régulation y compris en charge est excellente, par contre son bruit en sortie est important :
  • régulation ligne : 0.5% soit 3.6mV
  • régulation en charge : 0.5% soit 3.6mV
  • bruit en sortie : 150mV.
Si nous cherchions à faire l'équivalent en mode linéaire, même un régulateur bon marché LM317 fera mieux :
  • régulation ligne : 0.02% soit 0.24mV
  • régulation en charge : 0.1% soit 12mV
  • bruit en sortie : 0.5mV
Un LM317 aura un bruit 300 fois inférieur à celui d'un module à découpage.

Avec un régulateur LT1963, nous obtiendrions encore mieux :
  • régulation ligne : 3mV
  • régulation en charge : 3mV
  • bruit en sortie : 400µV
Un LT1963  aura un bruit 375000 fois inférieur à celui d'un module à découpage.

Parlons finances.
Le module à découpage MEANWELL IRM-30 coûte 12€.

Une solution linéaire coûtera :
  • transformateur 15V 40VA : 8€
  • varistance 270V :  0.60
  • pont de diodes 50V 3A :  0.10€
  • condensateur 25V 4700µF : 0.5€
  • régulateur LM317 : 0.25€
  • régulateur LT1963 :  5.80€
Soit un total de 9,45€ avec un LM317, et un total de 15€ avec un LT1963.

On constate que la solution bas de gamme utilisant un LM317 a un rapport qualité / prix largement en sa faveur.

On constate également que la solution haut de gamme utilisant un LT1953 n'est pas beaucoup plus onéreuse qu'un module à découpage.

Si vous disposez d'un transformateur de récupération cela peut être financièrement très intéressant.

Par contre une solution 60W à base de module à découpage ne coûtera pas beaucoup plus cher que la solution 30W. Un IRM-60 coûte 14€.
La solution à transformateur sera plus proche de 25 à 30€ en fonction du régulateur utilisé.
Donc il est préférable d'adopter une alimentation à découpage quand on a besoin d'une puissance importante et que le bruit est sans importance.

Le facteur déterminant est bien entendu le bruit en sortie.Si ce bruit n'a aucune importance s'il s'agit d'alimenter des LEDs, des relais ou un moteur, il n'en va pas de même s'il s'agit d'alimenter un préamplificateur audio ou des composants sensibles.

2. Sécurité

Nous n'allons pas commencer à étudier une alimentation 230V sans omettre les aspects sécuritaires et nous allons même en parler en premier.

Toute alimentation 230V comporte certains composants reliés au secteur qu'il convient d'éviter de toucher.
La tension secteur appliquée au corps humain peut entraîner de graves brûlures internes qui peuvent vous priver temporairement de l'usage d'un membre, et dans les cas les plus graves peuvent entraîner la mort.

Il est indispensable d'isoler au maximum ces pièces en utilisant des cosses isolées, de la gaine thermorétractable ou tout autre moyen.
  • cosses du transformateur
  • porte-fusible 
  • varistance
  • interrupteur
  • etc.
A propos de la terre
Le fil de terre du câble secteur est reliée au châssis de l'alimentation, ainsi qu'au boîtier du filtre secteur, si elle en possède un.
Le zéro volt de sortie de l'alimentation n'est ni relié au châssis ni à la terre.

3. Principe

Voici en premier lieu le schéma de base de toute alimentation redressée et filtrée.

3.1. Sécurité

Nous allons en premier lieu parler de sécurité, mais cette fois-ci il s'agit de sécurité électrique et également de sécurité incendie.
Certains accidents peuvent survenir lorsque une alimentation est reliée au secteur, en particulier une surtension. Cette surtension, si elle est suffisamment longue, peut entraîner un échauffement rapide du transformateur ou une explosion du condensateur. Le dégagement de chaleur peut déclencher un incendie.
Afin d'éviter tout problème lors d'une surtension, toute alimentation secteur devrait être pourvue de composants de protection, y compris s'il s'agit d'un modèle à découpage.
Normalement toute alimentation à découpage aux normes est déjà équipée d'une protection. N'en rajoutez pas.

L'organe de protection le plus souvent utilisé est une varistance couplée avec un fusible :
Si vous avez déjà démonté un appareil électro-ménager, vous avez peut-être remarqué ces petits disques bleus.

Il peut arriver que le fusible soit remplacé par une résistance de quelques dizaine d'ohms 3W. Mais il ne s'agit pas d'une résistance classique. C'est une résistance de protection, à fusion rapide.

Sur le schéma ci-dessus, un fusible est installé sur l'entrée 230V et la varistance est câblée en parallèle sur le primaire du transformateur.Il s'agit d'une varistance 270V à 280V. Lorsque la tension secteur dépasse cette valeur, la varistance entre en court-circuit et le fusible fond.

Le fusible doit pouvoir supporter un courant supérieur au courant consommé par l'alimentation.
Pour une alimentation de 50W, le courant nécessaire sur le secteur sera de :

I = 50W / 230V = 200mA.

Prévoyez plutôt un fusible 1A car à la mise sous tension, le courant sera plus important.

3.2. Filtrage secteur

Un filtre secteur élimine les fréquences indésirables du secteur mais empêche aussi les fréquences indésirables provenant d'une alimentation à découpage d'être envoyées vers le réseau.

Bien entendu, pour un bricolage maison, tout ceci est optionnel. La décision vous appartient.

Normalement toute alimentation à découpage aux normes est équipée d'un filtre secteur. Vous n'avez pas à vous en soucier.
Je ne parle pas des petits modules du type LM2596 qui en sont dépourvus.

Pour une alimentation purement linéaire, on choisira plutôt un filtre équipé d'une seule inductance en mode commun :

Pour une alimentation à découpage, on choisira plutôt un filtre équipé d'une inductance en mode commun et d'une inductance en mode différentiel :
La self L1 est une double self en mode commun.
La self L2/L3 est une double self en mode différentiel.
Le condensateur C1 est obligatoirement du type polypropylène X2 400V. Les condensateurs de classe X ne doivent pas dans leur mode de défaillance provoquer de court-circuit, il sont "auto-cicatrisants".
Les condensateurs C2 et C3 sont obligatoirement du type polypropylène Y2 400V. Les condensateurs de classe Y2 sont connectés à la terre, et sont garantis sans fuite.
Il est formellement interdit d'utiliser des condensateurs classiques du type film polyester sur le secteur.

On trouve des filtres dans le commerce :Pour une alimentation linéaire : filtre Schaffner FN9675
Pour une alimentation à découpage : filtre Schaffner FN680

Rappel: à propos de la terre
Le fil de terre du câble secteur est reliée au châssis de l'alimentation, ainsi qu'au boîtier du filtre secteur, si elle en possède un.
Le zéro volt de sortie de l'alimentation n'est ni relié au châssis ni à la terre.

3.3. Transformateur

Le transformateur est utilisé pour abaisser la tension secteur, grâce à deux enroulements de fil de cuivre sur un circuit magnétique.
L'enroulement primaire va recevoir la tension secteur, l'enroulement secondaire va délivrer une tension dépendante du rapport de transformation, c'est à dire du rapport entre le nombre de spires du primaire et le nombre de spires du secondaire.

m = U 2 / U 1 = N2 / N1

Le transformateur devra être choisi pour sa tension de service et le courant de service de l'alimentation, en prévoyant une petite marge.

Un transformateur du commerce vous est vendu pour une tension de service donnée et une puissance donnée.

La tension de service est garantie pour cette puissance de service. Mais elle est souvent légèrement supérieure, d'environ 5% à 10%.

Un transformateur 12V 5VA délivre souvent 13V en charge.
Un transformateur 24V 50VA délivre souvent 26V en charge.

A vide, donc sans charge. la tension qu'il délivre sera toujours supérieure, et plus le puissance est faible, plus la différence et importante.

Un transformateur 12V 5VA délivre souvent 17V à vide.
Un transformateur 24V 50VA délivre souvent 27V à vide.

C'est important car une alimentation régulée, à vide, risque de voir arriver sur ses composants, en particulier son régulateur, une tension non prévue dans vos calculs.

Il en découle plusieurs constats :
  • ce n'est pas la peine de faire des calculs avec deux zéros derrière la virgule quand on sait que le transformateur délivrera 13V au lieu des 12V prévus. Tous les résultats doivent être arrondis à la fin.
  • à vide, tous les composants qui reçoivent la tension du transformateur devront supporter une tension supérieure à celle prévue.
  • pour le calcul d'une alimentation toujours chargée de la même manière on n'aura pas à tenir compte de la tension à vide.
Une alimentation redressée et filtrée est censée fournir une tension continue.
Quelle va être la valeur de cette tension ?
Sa valeur sera équivalente à la tension du transformateur multipliée par la racine de deux.
En partant de la tension voulue pour notre alimentation, nous allons donc appliquer la formule suivante pour calculer la tension nécessaire pour le transformateur :

Vtransfo = Valim / √2

Pour une alimentation 12V nous aurons donc besoin de : 12V / √2 = 8.5V.
Mais nous verront plus loin que ce calcul est loin d'être exact.

A propos du choix
Lors du choix d'un transformateur, il est évident que les constructeurs proposent un éventail de tensions et de courants limité. Je conseille de s'appuyer sur le moteur de recherche d'un fournisseur, par exemple celui de TME :
Ce n'est pas la peine de s'engager dans une voie sans issue en choisissant un transformateur n'existant pas sur le marché.

Les transformateurs pour PCB sont pratiques et silencieux. Leur puissance varie de 0.25VA à 60VA.

La puissance des transformateurs à fixations varie de 2VA à 2500VA.

Les transformateurs toriques sont silencieux et ont un rendement supérieur. Leur puissance varie de 10VA à 2500VA.

N'hésitez pas à surdimensionner un transformateur destiné à une application audio haut de gamme.
 

3.4. Redresseur

Le redresseur permet de transformer la tension alternative en tension redressée.
Nous n'allons pas étudier ici le cas du redressement simple alternance, élaboré à l'aide d'une seule diode, c'est sans intérêt.

Nous visons un redressement double alternance. La tension qui en résulte aura cette forme :

Sur le schéma ci-dessus le pont de diodes D1 permet de redresser notre tension alternative. Nous utiliserons donc un pont de Graetz, composé de quatre diodes : 
Il peut parfaitement être réalisé à l'aide de quatre diodes simples :
Pour les applications exigeantes, notamment en audio il est possible d'utiliser des diodes rapides schottky, offrant de plus une chute de tension plus faible que les diodes classiques :
Le pont de diodes devra être choisi pour accepter bien sûr la tension crête du transformateur et le courant de service de l'alimentation, en prévoyant une marge raisonnable.

Un pont de diodes introduit une chute de tension VF dite "forward voltage".
Si celle-ci est théoriquement de 0.6V, quand le courant augmente, la tension de chute augmente aussi.
Pour une diode classique, elle sera généralement de l'ordre de 0.8V à 0.9V. Comme le redressement est effectué en double alternance, le courant traverse toujours un couple de diodes, et donc nous devons multiplier cette chute de tension par 2.
Il convient donc de corriger notre calcul précédent :

Vtransfo = (Valim + 2VF) / √2)

Pour une alimentation 12V nous aurons donc besoin d'un transformateur de :

U = (12V + (2 * 0.8V)) / √2 = 9.6V

Nous devons prendre garde au courant qui traversera le pont de diodes au démarrage lorsque le condensateur est vide. Pour cela il faut connaître la résistance de l'enroulement secondaire du transformateur.
Et pour en déduire le courant nous utiliserons cette formule :

I = U / R

Pour une alimentation 12V, si le transformateur a une résistance de 1Ω, le courant sera de 12A. Le pont de diodes doit être choisi en conséquence.
Pour les alimentations de puissance inférieure à 20W ce détail peut être ignoré.

Pour info, quelques exemples de résistance d'enroulement secondaire de quelques transformateurs :
  • 6V 0.5VA : 7.9Ω
  • 9V 0.5VA : 8.2Ω
  • 6V 1.5VA : 2.7 Ω
  • 12V 1.5VA : 2.9Ω
  • 9V 1.5VA : 3Ω
  • 12V 3VA : 1.5Ω
  • 12V 4.5VA : 0.7Ω
  • 2x12V 3VA : 8.15Ω
  • 2x12V 5VA : 2.7Ω
  • 2x12V 40VA : 0.75Ω
  • 2x15V 30VA : 1.8Ω 
  • 2x18V 36VA : 1.7Ω
  • 2x24V 100VA : 0.55Ω
  • 48V 250VA : 0.25Ω 
Le transformateur 48V 250VA, produira au démarrage un courant de 190A. Attention au pont de diode !

A propos du choix
Le choix d'un pont de diodes ne pose pas trop de problèmes. Il suffit de s'accorder une marge de tension et de courant suffisantes.
Choisissez bien des diodes de redressement. Les diodes de commutation sont inadaptées.
Choisissez des diodes Schottky si vous désirez une rapidité élevée ou réduire la chute de tension.

3.5. Filtrage

Le condensateur de filtrage va servir de réservoir d'énergie. Il va se charger lorsque la tension fournie par le pont de diodes est suffisante, c'est à dire supérieure à celle déjà présente aux bornes du condensateur.
La tension qui en résulte aura cette forme :


Le condensateur devra être choisi pour accepter bien sûr la tension crête du transformateur, en prévoyant une marge raisonnable. Si l'alimentation est susceptible de  fonctionner sans charge il faudra en tenir compte. La tension de service du condensateur devra être au moins égale à la tension à vide du transformateur multipliée par √2.

En fonction du courant débité la tension va chuter entre deux alternances, produisant une composante alternative appelée ondulation.

Voici la formule permettant de calculer la valeur du condensateur à partir de l'ondulation maximale tolérée pour notre alimentation :

C = I / (Vo * F * 2) * 1000000

I est le courant maximal fourni par l'alimentation, Vo est la tension d'ondulation, F est la fréquence du secteur que nous multiplions par deux car nous avons affaire à un redresseur double alternance. Le résultat est multiplié par 100000 afin d'obtenir des µF (microFarad).

Pour une alimentation fournissant 1A et admettant 2V d'ondulation nous aurons donc besoin de :

C = 1A / (2V * 50Hz * 2) * 1000000 = 5000µF

Le schéma ci-dessus montre un petit condensateur en parallèle sur le condensateur chimique principal. Il sert à filtrer les hautes fréquences.

A propos de la tension secteur
Il faut être conscient que la tension de sortie de ce type d'alimentation est directement dépendante de celle du secteur.
Si la tension secteur baisse de seulement 2%, comme à certaines heures de la journée, elle va être abaissée à 225V.
Notre transformateur du chapitre précédent de 9.6V donnera également moins de tension : 9.4V, et la tension filtrée de 12V sera également plus basse : 11.75V.
Cela peut être acceptable ou non en fonction de l'application.

A propos du choix
Ne surdimensionnez pas trop la tension de service d'un condensateur, cela n'apporte rien, et l'encombrement risque d'être gênant. Une marge de 20% est suffisante.
Un condensateur a une durée de vie et une température de fonctionnement maximale. La durée de vie est directement liée à la température.
Un condensateur dont la température maximale de fonctionnement est de 85° et ayant une durée de vie de 2000h durera effectivement 2000H à 85°. A 25° il aura une durée de vie très nettement supérieure.

Nous avons pour l'instant une alimentation filtrée mais non régulée. Est-ce convenable ? Oui si le lissage de la tension est inutile. Nous allons pouvoir alimenter un moteur, un amplificateur audio de puissance, ou une carte électronique possédant son propre régulateur. Sinon, il faudra ajouter une régulation. C'est l'objet du chapitre suivant.

3.6. Régulation

Le régulateur va se charger de lisser la tension précédemment filtrée :
Il en existe diverse variétés, allant des régulateurs à tension de sortie fixe aux régulateurs à tension de sortie ajustable, en passant par les modèles LDO à faible chute de tension ou ceux ayant un faible courant de repos.
Je parle plus longuement de ces derniers ICI.

Les deux premières caractéristique auxquelles nous allons nous intéresser sont la tension admissible à l'entrée du régulateur et le courant maximal pouvant le traverser. Nous devrons choisir un modèle ayant les caractéristiques adéquates.
Pour notre exemple d'alimentation 12V 1A, un LM7812 conviendra :
Il accepte 35V sur son entrée et peut débiter 1.5A.
Attention, certaines références sont limitées à 1A.

L'autre caractéristique à laquelle nous allons nous intéresser est la tension de chute du régulateur, dite tension de "drop-out".
La tension à l'entrée du régulateur ne devra jamais chuter en dessous de la somme (tension de sortie + tension de drop-out).
Pour un régulateur LM7812, cette tension de drop-out est de 2V.
La tension à l'entrée ne devra donc jamais chuter en dessous de 12V+2V, donc 14V.

Pour notre exemple d'alimentation 12V 1A, reprenons nos calculs, mais cette fois-ci en introduisant le régulateur :
Nous aurons besoin non plus d'une tension de 12V à l'entrée du régulateur mais de 14V minimum. A cela il faudra ajouter la chute de tension du pont de diodes

Nous allons recalculer la tension du transformateur :

U = (12V + 2V + (2 * 0.8V)) / √2 = 11V

Malheureusement, nous aurons du mal à trouver dans le commerce un transformateur de 11V. Nous devrons souvent nous contenter d'un modèle 12V ou 15V.
Si nous choisissons un modèle 12V, nous pourrons augmenter légèrement l'ondulation admise.
Si nous choisissons un modèle 15V, nous pourrons augmenter fortement l'ondulation admise.

En définitive, on s'aperçoit que l'on choisit souvent un transformateur fournissant une tension alternative au minimum égale à la tension continue recherchée à laquelle on ajoute 20%.

Donc pour une alimentation 12V, on opte en général pour un transformateur de 15V.
Pour un courant de 1A le filtrage sera raisonnable, de l'ordre de 2200µF à 3300µF.
Si on optait pour un transformateur de 12V cela conduirait à adopter un filtrage de 20000µF !

A propos de la tension secteur
Nous avons parlé au chapitre précédent de l'influence de la tension secteur.
Dans le cas où nous utilisons une régulation, il faut que la tension en entrée du régulateur soit toujours supérieure à la somme (tension de sortie + tension de drop-out).
Autrement dit il faut de la marge de manœuvre. Pour cela on peut prévoir une tension filtrée légèrement supérieure (5% par exemple), ou agir en augmentant le filtrage.
Augmenter la tension du transfo de 5% est difficilement réalisable. C'est pour cette raison que l'on choisit généralement d'augmenter le filtrage.
On peut faire le calcul du condensateur de filtrage en retirant 5% de tension filtrée par exemple.

Considérations thermiques
Plus la différence entre sa tension d'entrée et de sortie sera plus élevée et plus le régulateur dissipera de puissance. Nous pourrons calculer cette puissance comme ceci :

P = (Vout - Vin) * I

Vout est la tension de sortie, Vin est la tension d'entrée et I est le courant.

Il faudra considérer la résistance thermique du régulateur, qui peut varier entre 0.5°C/W pour les meilleurs et 5°C/W.
Nous considérerons qu'un régulateur a une température limite de 125° et que la température ambiante sera de 35° maximum. La formule utilisée pour le calcul de la résistance thermique du dissipateur sera :

Rd = ((Tj - Ta) / P) - Rj

Tj est la température maximale, Ta est la température ambiante, P est la puissance à dissiper et Rj est la résistance totale jonction / boîtier + boîtier / dissipateur.

Les plus petits dissipateurs font en général 25°C/W. Cela correspond à une dissipation de 3W pour un régulateur ayant une résistance thermique de 5°C/W. Au dessus de 25°C/W nous n'aurons pas besoin de dissipateur. Si cela ne vous rassure pas, choisissez le plus petit.

Sinon, il vous faudra trouver un dissipateur correspondant à la résistance thermique voulue.
Beaucoup de vendeurs la précisent :
Sachez simplement qu'en matière de dissipateur, c'est comme pour les résistances ohmiques, une valeur plus faible de résistance thermique évacue mieux la chaleur, tout comme une résistance ohmique faible laisse mieux passer le courant.
Un dissipateur de 1°C/W sera moins chaud à puissance dissipée égale qu'un dissipateur de 2°C/W.

A propos du choix
Si vous développez une alimentation audio haut de gamme, orientez-vous sur un régulateur faible bruit. Linear Technology proposes des solution très intéressantes.

Leur moteur de recherche vous permettra de choisir :
https://www.analog.com/en/parametricsearch/11536
https://www.analog.com/en/parametricsearch/11490

4. Exemples concrets

Pour le calcul des exemples qui vont suivre j'ai préparé une petite feuille de calcul EXCEL :

Voir plus bas :  7. Téléchargements



Il faut la télécharger. Si vous cliquez simplement sur le lien elle s'ouvre dans "google sheets" en lecture seule. Utilisez la petite icône flèche en haut à droite.

Il faut entrer les paramètres de l'alimentation et les caractéristiques de certains composants dans les cellules C2 à C15.

Si l'alimentation fournit une tension fixe, entrer la même valeur dans les cellules C2 et C3.
Pour calculer une alimentation réglable, les cellules C2 et C3 auront des valeurs différentes. La tension minimale est utilisée pour calculer la dissipation du régulateur, car c'est à la tension de sortie minimale qu'il dissipera le plus.

Si certains paramètres ou caractéristiques sont hors limites, la cellule correspondante change de couleur. Elle devient rouge.
Par exemple si le transformateur choisi a une tension de service trop faible, la cellule C15 (ondulation maximale) devient rouge.

La feuille de calcul est déjà remplie avec les données d'une alimentation 12V 1A. Si vous commencez à entrer des données, il n'y a rien d'anormal à ce que certaines cellules virent au rouge en cours de saisie, et redeviennent blanches ensuite. Les cellules C2 à C15 doivent être renseignées intégralement.

Il faut être conscient que c'est une procédure itérative. Changer de transformateur, de pont de diode ou de régulateur en cours de route n'est pas anormal.

4.1. Alimentation 11V 100mA pour ARDUINO

A l'aide d'une alimentation simplement filtrée nous pouvons fournir par exemple du courant à une carte ARDUINO NANO ou UNO par son entrée VIN, plus quelques petits module ou capteurs. Cette entrée doit être alimentée avec une source 7V à 15V.
Les cartes ARDUINO NANO et UNO embarquent un régulateur LM1117 donc il n'y a aucun besoin de réguler la tension destinée à alimenter la carte.

Imaginons que nous ayons besoin de 100mA et que nous choisissions 11V comme tension filtrée pour alimenter la carte.

Le transformateur est dimensionné pour fournir 11V de tension après redressement et filtrage.

Nous pourrons largement nous contenter d'un pont de diodes 1A / 20V en boîtier DIP, un B40D par exemple :
Voici le résultat des calculs :


Tension de sortie maximale de l’alimentation 5 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 5 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 0,1 A

Tension nominale du transformateur 9 V

Tension à vide du transformateur 12 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 2.8 Ω
B40D Tension de chute du pont de diodes 0,8 V
B40D Tension inverse du pont de diodes 20 V
B40D Courant maxi du pont de diodes 1 A
B40D Courant maxi crête du pont de diodes 40 A
LM1117 Tension maxi du régulateur 20 V
LM1117 Courant maxi du régulateur 0.8 A
LM1117 Tension de drop-out du régulateur 1.3 V
LM1117 Résistance thermique du régulateur 45.1 °C/W

Tension minimale du transformateur 5.6 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 17 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 4.5 A

Tension redressée 12.73 V

Tension filtrée 11.13 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 10.57 V

Ondulation maximale crête à crête 4.27 V

Puissance minimale transfo 1.11 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 0.61 W

Capacité minimale de filtrage 234 µF

Tension minimale du condensateur 17 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 141.9 °C/W

Cela donne le schéma suivant :

Considérations thermiques
Le régulateur de la carte ARDUINO NANO (en général un LM1117) dissipera une puissance équivalente à 0.6W

La dissipation du LM1117 est assurée par une piste sous la carte. Cette piste fait environ 0.3 inch carré de surface. Étant donné la surface de la piste, la puissance maximale à ne pas dépasser pour le LM1117 en boîtier SOT-223 est de 1W.
Donc notre solution est acceptable.

4.2. Alimentation 7V 500mA pour ARDUINO

En partant de l'alimentation précédente, s'il s'agissait de délivrer un courant plus important, par exemple pour alimenter des LEDs, il faudrait abaisser la tension filtrée afin que le régulateur de la carte ARDUINO ne chauffe pas trop, réduire l'ondulation et donc choisir un transformateur de tension plus faible et un condensateur plus gros. Comme le LM1117 peut supporter 800mA on pourrait se dire que lui faire débiter seulement 500mA est possible.

Par exemple pour 500mA et 7V de tension filtrée :

Nous choisirons un pont de diodes schottky afin de limiter la chute de tension au maximum. Quatre diodes 1N5817 par exemple. Ces diodes offrent une chute tension de 0.4V à 500MA.

Voici le résultat des calculs :


Tension de sortie maximale de l’alimentation 5 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 5 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 0,5 A

Tension nominale du transformateur 6 V

Tension à vide du transformateur 9 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 1.8 Ω
1N5817 Tension de chute du pont de diodes 0,4 V
1N5817 Tension inverse du pont de diodes 20 V
1N5817 Courant maxi du pont de diodes 1 A
1N5817 Courant maxi crête du pont de diodes 25 A
LM1117 Tension maxi du régulateur 20 V
LM1117 Courant maxi du régulateur 0.8 A
LM1117 Tension de drop-out du régulateur 1.3 V
LM1117 Résistance thermique du régulateur 45.1 °C/W

Tension minimale du transformateur 5 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 12.7 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 4.7 A

Tension redressée 8.48 V

Tension filtrée 7.68 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 7.30 V

Ondulation maximale crête à crête 1 V

Puissance minimale transfo 3.84 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 1.34 W

Capacité minimale de filtrage 5001 µF

Tension minimale du condensateur 13 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 22.0 °C/W

La puissance dissipée par le régulateur serait de 1.34W.

La dissipation du LM1117 est assurée par une piste sous la carte. Cette piste fait environ 0.3 inch carré de surface. Étant donné la surface de la piste, la puissance maximale à ne pas dépasser pour le LM1117 en boîtier SOT-223 est de 1W.
Notre solution est hors limites.

De plus, un transformateur 6V va plutôt délivrer 6.5V, ce qui va empirer les choses.

Il serait possible d'aller jusqu'à 300mA mais pas plus.

Le seul moyen serait d'alimenter en 6.5V c'est à dire 5V + la tension de drop-out du LM1117 + une petite marge avec une tension déjà régulée. Dans ce cas, autant alimenter en 5V directement par la broche 5V.

Il est possible d'alimenter l'ensemble avec un régulateur plus puissant, sans utiliser le LM1117. Dans ce cas, on l'utiliserait également pour alimenter l'ARDUINO, mais par sa broche 5V cette fois-ci. Certaines LEDs ou bandes de LEDs réclament une tension de 5V, les WS2812 par exemple. Dans ce cas, on s'orientera plutôt vers une alimentation régulée 5V, ou une alimentation à découpage 5V :
D'autres s'alimentent en 12V. Dans ce cas, on s'orientera plutôt vers une alimentation filtrée 12V, ou une alimentation à découpage 12V, qui sera acceptée sans problème par l'entrée VIN de la carte ARDUINO.

4.3. Alimentation 3.3V 100mA

Cette alimentation alimente un ATMEGA328P et un amplificateur opérationnel MCP6142. Comme vous le constatez les AOP se contentant de 3.3V existent.

Nous chercherons à utiliser le plus petit transformateur possible, donc à minimiser au maximum les chutes de tension. Dans cette application une alimentation à découpage serait trop bruyante.

Le régulateur devra supporter au moins 10V sur son entrée.
Nous allons choisir un régulateur du type HT7333-1 en boîtier TO92.

Ce régulateur peut accepter 12V sur son entrée, peut débiter 150mA et
a une tension de drop-out de 250mV à 25° pour 150mA.

Nous choisirons un pont de diodes schottky afin de limiter la chute de tension au maximum. Quatre diodes 1N5817 par exemple. Ces diodes offrent une chute tension de 0.2V à 100MA.

Voici le résultat des calculs :


Tension de sortie maximale de l’alimentation 3.3 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 3.3 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 0,1 A

Tension nominale du transformateur 5 V

Tension à vide du transformateur 8 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 3.5 Ω
1N5817 Tension de chute du pont de diodes 0.2 V
1N5817 Tension inverse du pont de diodes 20 V
1N5817 Courant maxi du pont de diodes 1 A
1N5817 Courant maxi crête du pont de diodes 25 A
HT7333-1 Tension maxi du régulateur 12 V
HT7333-1 Courant maxi du régulateur 0.15 A
HT7333-1 Tension de drop-out du régulateur 0.12 V
HT7333-1 Résistance thermique du régulateur 100 °C/W

Tension minimale du transformateur 2.7 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 11.3 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 2 A

Tension redressée 7.07 V

Tension filtrée 6.67 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 6.34 V

Ondulation maximale crête à crête 2.92 V

Puissance minimale transfo 0.67 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 0.34 W

Capacité minimale de filtrage 343 µF

Tension minimale du condensateur 11 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 167 °C/W

L'idéal aurait été un transformateur de 4V de 1VA, impossible à trouver.

Cela donne le schéma suivant :

Considérations thermiques
Nous n'aurons bien entendu aucun besoin de dissipateur.

4.4. Alimentation 5V 350mA régulée linéaire

Cet exemple traite d'une alimentation régulée linéaire 5V 350mA. Elle pourrait être utilisée dans une application ARDUINO de petite puissance. Si vous avez un petit transformateur 6V qui traîne, c'est l'occasion de l'utiliser.

Le régulateur devra supporter au moins 10V sur son entrée.
Afin de rompre avec les traditionnels LM7805, nous allons choisir un régulateur plus moderne du type LF50 en boîtier TO220.

Ce régulateur ajustable peut accepter 40V sur son entrée, peut débiter 0.5A et
a une tension de drop-out de 0.45V à 25° pour 0.5A, au lieu des 2V du LM7850. Cela évitera le grosses pertes d'énergie.

Nous pourrons largement nous contenter d'un pont de diodes 1A / 20V en boîtier DIP, un B40D par exemple.

Voici le résultat des calculs :


Tension de sortie maximale de l’alimentation 5 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 5 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 0,35 A

Tension nominale du transformateur 6 V

Tension à vide du transformateur 9 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 1.8 Ω
B40D Tension de chute du pont de diodes 0,8 V
B40D Tension inverse du pont de diodes 20 V
B40D Courant maxi du pont de diodes 1 A
B40D Courant maxi crête du pont de diodes 40 A
LF50 Tension maxi du régulateur 40 V
LF50 Courant maxi du régulateur 0.5 A
LF50 Tension de drop-out du régulateur 0.45 V
LF50 Résistance thermique du régulateur 5 °C/W

Tension minimale du transformateur 5 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 12.7 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 4.7 A

Tension redressée 8.48 V

Tension filtrée 6.88 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 6.54 V

Ondulation maximale crête à crête 1.09 V

Puissance minimale transfo 2.41 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 0.66 W

Capacité minimale de filtrage 3212 µF

Tension minimale du condensateur 13 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 131.5 °C/W

Cela donne le schéma suivant :

Le petit condensateur de 2.2µF en sortie est nécessaire à la stabilité du régulateur.

Nous n'aurons pas besoin de dissipateur pour cette alimentation.

4.5. Alimentation 5V 4A régulée linéaire

Cet exemple traite d'une alimentation régulée linéaire 5V 4A.

Le régulateur devra supporter au moins 10V sur son entrée.
Nous allons choisir un régulateur du type LM1084-5.0 en boîtier TO220.

Ce régulateur peut accepter 25V sur son entrée, peut débiter 5A et
a une tension de drop-out de 1.3V à 25° pour 5A.

Le pont de diodes est le KBK10B qui supporte un courant de 10A et une tension de 100V.

Voici le résultat des calculs :


Tension de sortie maximale de l’alimentation 5 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 5 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 0,35 A

Tension nominale du transformateur 9 V

Tension à vide du transformateur 10 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 0.5 Ω
KBK10B Tension de chute du pont de diodes 0,8 V
KBK10B Tension inverse du pont de diodes 100 V
KBK10B Courant maxi du pont de diodes 10 A
KBK10B Courant maxi crête du pont de diodes 170 A
LM1084 Tension maxi du régulateur 25 V
LM1084 Courant maxi du régulateur 5 A
LM1084 Tension de drop-out du régulateur 1.3 V
LM1084 Résistance thermique du régulateur 0.65 °C/W

Tension minimale du transformateur 5.6 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 14.1 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 25.5 A

Tension redressée 12.73 V

Tension filtrée 11.13 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 10.57 V

Ondulation maximale crête à crête 4.27 V

Puissance minimale transfo 44.5 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 24.5 W

Capacité minimale de filtrage 9368 µF

Tension minimale du condensateur 14 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 3 °C/W

Cela donne le schéma suivant :

Le petit condensateur de 10µF en sortie est nécessaire à la stabilité du régulateur.

Considérations thermiques
L'alimentation devra être sérieusement ventilée.
D'autre part le régulateur linéaire va devoir dissiper lui aussi des calories.

Le résultat des calculs  nous conduit à adopter un dissipateur de 2.6°C/W d'environ 41x63x25 :


4.6. Alimentation 12V 1A régulée linéaire

Cet exemple traite d'une alimentation régulée linéaire 12V 1A. Le but est de concevoir une alimentation bon marché.

Le régulateur devra supporter au moins 20V sur son entrée.
Nous allons choisir un régulateur très courant du type LM317 en boîtier TO220.

Ce régulateur ajustable peut accepter 40V sur son entrée, peut débiter 1.5A et a une tension de drop-out de 2V à 25° pour 1A.

Le pont de diodes est le très courant et très bon marché KBP307 qui supporte un courant de 3A et une tension de 1000V.

Voici le résultat des calculs :


Tension de sortie maximale de l’alimentation 12 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 12 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 1 A

Tension nominale du transformateur 15 V

Tension à vide du transformateur 17 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 1 Ω
KBP307 Tension de chute du pont de diodes 0,8 V
KBP307 Tension inverse du pont de diodes 1000 V
KBP307 Courant maxi du pont de diodes 3 A
KBP307 Courant maxi crête du pont de diodes 80 A
LM317 Tension maxi du régulateur 40 V
LM317 Courant maxi du régulateur 1.5 A
LM317 Tension de drop-out du régulateur 2 V
LM317 Résistance thermique du régulateur 5 °C/W

Tension minimale du transformateur 11 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 24 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 21.2 A

Tension redressée 21.21 V

Tension filtrée 19.61 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 18.63 V

Ondulation maximale crête à crête 4.63 V

Puissance minimale transfo 19.61 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 7.61 W

Capacité minimale de filtrage 2160 µF

Tension minimale du condensateur 24 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 6.8 °C/W

Cela donne le schéma suivant :
Les deux résistances vont fixer la tension de sortie du régulateur.

Vout = Vref  * (1 + R2 / R1)

Le LM317 a une tension de référence de 1.25V. Cela donne pour notre alimentation 12V :

Vout = 1.25V * (1 + 3000 / 330) = 12.6V

Le petit condensateur de 1µF en sortie est nécessaire à la stabilité du régulateur.

Considérations thermiques
L'alimentation devra être sérieusement ventilée.
D'autre part le régulateur linéaire va devoir dissiper lui aussi des calories, beaucoup plus qu'un régulateur à découpage.

Le résultat des calculs  nous conduit à adopter un dissipateur de 4.3°C/W d'environ 42x38x25 :

4.7. Alimentation 12V 2A régulée linéaire

Cet exemple traite d'une alimentation régulée linéaire 12V 2A. Elle peut alimenter un petit amplificateur audio de qualité.

Si l'alimentation est destinée à fournir de l'énergie à des LEDs ou des organes de puissance peu sensibles au bruit, une solution à base de module à découpage sera plus intéressante financièrement.

Le régulateur devra supporter au moins 20V sur son entrée.
Nous allons choisir un régulateur du type LT1085 en boîtier TO220.

Ce régulateur ajustable peut accepter 30V sur son entrée, peut débiter 3A et a une tension de drop-out de 1.25V à 25° pour 2A.

Le pont de diodes est le très courant et très bon marché KBP307 qui supporte un courant de 3A et une tension de 1000V.

Voici le résultat des calculs :


Tension de sortie maximale de l’alimentation 12 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 12 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 2 A

Tension nominale du transformateur 15 V

Tension à vide du transformateur 17 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 1 Ω
KBP307 Tension de chute du pont de diodes 0,8 V
KBP307 Tension inverse du pont de diodes 1000 V
KBP307 Courant maxi du pont de diodes 3 A
KBP307 Courant maxi crête du pont de diodes 80 A
LT1085 Tension maxi du régulateur 30 V
LT1085 Courant maxi du régulateur 3 A
LT1085 Tension de drop-out du régulateur 1.25 V
LT1085 Résistance thermique du régulateur 0.6 °C/W

Tension minimale du transformateur 10.5 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 24 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 21.2 A

Tension redressée 21.21 V

Tension filtrée 19.61 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 18.63 V

Ondulation maximale crête à crête 5.38 V

Puissance minimale transfo 39.22 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 15.22 W

Capacité minimale de filtrage 3718 µF

Tension minimale du condensateur 24 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 5.3 °C/W

Cela donne le schéma suivant :
Les deux résistances R1 et R26vont fixer la tension de sortie du régulateur.

Vout = Vref  * (1 + R2 / R1)

Le LT1085 a une tension de référence de 1.25V. Cela donne pour notre alimentation 12V :

Vout = 1.25V * (1 + 1040 / 120) = 12.08V

Il va sans dire que les résistances seront choisies parmi des modèles à tolérance 1%. Un petit potentiomètre d'ajustage peut être prévu en série avec R2 :
  • R2 = 8.2K
  • potentiomètre 500Ω
Le petit condensateur de 10µF en sortie est nécessaire à la stabilité du régulateur.

Considérations thermiques
Le résultat des calculs  nous conduit à adopter un dissipateur de 4.3°C/W d'environ 42x38x25 :

Si nous avions choisi un transformateur de tension inférieure, 12V par exemple :
  • on aurait pu tolérer une ondulation moins élevée : 1.35V
  • la capacité du condensateur aurait été plus élevée: 15000µF
  • le condensateur aurait pu supporter une tension plus faible : 20V
  • le régulateur aurait dissipé moins de calories : 6.74W
Cette alimentation 12V 2A n'est pas à la limite de ce que l'on peut réaliser avec un régulateur de ce type. On aurait pu aller jusqu'à 18V Mais difficilement plus.En effet une alimentation 24V aurait eu besoin d'un transformateur de 19V minimum et avec une tension crête de aurait été de 31V, au delà des possibilités du LT1085. Le LT3086 avec ses 40V et 2.1A serait plus adapté.

Au delà il y a de fortes chances que vous ayez à vous orienter vers des composants discrets, ou un LM723 équipé d'un transistor ballast.

4.8. Alimentation 24V 2A régulée à découpage

Cet exemple traite d'une alimentation régulée 24V 2A utilisant comme régulateur un module à découpage.
Ce n'est pas une vraie alimentation à découpage mais plutôt une solution intermédiaire et bon marché.

Pour choisir le régulateur il faut avoir une petite idée de la tension ce qu'il devra accepter sur son entrée. Elle sera forcément supérieure à 24V. 30V paraît un minimum.

Nous allons choisir un module pourvu d'un régulateur à découpage du type LM2596 :
Ce module peut accepter 45V sur son entrée, peut débiter 3A et a une tension de drop-out de 1.3V à 25° pour 3A.

Le pont de diodes est le très courant et très bon marché KBP307 qui supporte un courant de 3A et une tension de 1000V.

Voici le résultat des calculs :


Tension de sortie maximale de l’alimentation 24 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 24 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 2 A

Tension nominale du transformateur 24 V

Tension à vide du transformateur 27 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 0.5 Ω
KBP307 Tension de chute du pont de diodes 0,8 V
KBP307 Tension inverse du pont de diodes 1000 V
KBP307 Courant maxi du pont de diodes 3 A
KBP307 Courant maxi crête du pont de diodes 80 A
LM2596 Tension maxi du régulateur 45 V
LM2596 Courant maxi du régulateur 3 A
LM2596 Tension de drop-out du régulateur 1.3 V
LM2596 Résistance thermique du régulateur 5 °C/W

Tension minimale du transformateur 19 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 38.2 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 67.9 A

Tension redressée 33.94 V

Tension filtrée 32.94 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 30.72 V

Ondulation maximale crête à crête 5.42 V

Puissance minimale transfo 64.67 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 16.67 W

Capacité minimale de filtrage 3691 µF

Tension minimale du condensateur 38 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 0.4 °C/W

Notre régulateur à découpage a un rendement important, il ne chauffera pas beaucoup plus si nous l'alimentons avec un peu plus de tension. Nous pourrons nous permettre un peu plus de marge pour l'ondulation.
Comme il est facile de trouver des transformateurs de 24V, choisissons un modèle 24V / 2A minimum. Un 24V / 70VA peut faire l'affaire.

Cela donne le schéma suivant :

Considérations thermiques
Un dernier problème reste à résoudre : la dissipation.
Un transformateur de 70VA va chauffer, l'alimentation devra être sérieusement ventilée. Le boîtier devra être bien aéré.

Le calcul donne 16.67W de dissipation pour le régulateur. Ce serait vrai si nous avions utilisé un régulateur linéaire. Dans le cas d'un régulateur à découpage, la puissance dissipée sera au moins dix fois inférieure.
Nous collerons tout de même un petit dissipateur sur le LM2596 pour limiter l'échauffement, un petit modèle 10mm x 10mm x 10mm :
Il est possible de réaliser des alimentation de forte puissance avec des modules à découpage.
Par exemple CELUI-CI, à base de XL4015 :

  • tension d'entrée : 8-36V
  • tension de sortie : 1.25-32V réglable en continu
  • courant de sortie : fixe, maximum 5A
Ou CELUI-CI, à base de XL4016 :
  • tension d'entrée : 7-32V
  • tension de sortie : 0.8-28V réglable en continu
  • courant de sortie : réglable, maximum 8A 

4.9. Alimentation 12V ou 24V + 5V ou 3.3V régulée

A partir des trois alimentations précédentes il est possible d'alimenter également une carte ARDUINO.
Généralement ces cartes sont équipées d'un régulateur :
  • LM1117 : ARDUINO, UNO, NANO
  • MIC5219 : ARDUINO MINI 5V
  • MIC5205 : ARDUINO MINI 3.3V
Ces régulateurs acceptent entre 15V et 20V sur leur entrée.

S'il l'alimentation de base fournit du 12V la solution la plus simple consiste à connecter le 12V directement à votre carte :
  • ARDUINO UNO : JACK ou broche VIN
  • ARDUINO NANO : broche VIN
  • ARDUINO MINI : broche RAW
La différence de potentiel entre le 12V et la sortie du régulateur sera importante et la puissance dissipée dépendra du courant consommé.
Avec un LM1117 ou un MIC5219 il sera impossible de dépasser 140mA.
Avec un MIC5205 il ne faudra pas dépasser 110mA.
Dans les deux cas c'est plus que suffisant pour alimenter la carte ARDUINO seule.

Si les besoins en courant sur la ligne 5V ou 3.3V sont supérieurs il faudra passer par un régulateur externe :

Le schéma est le même pour une alimentation 3.3V. Remplacez simplement le LM7805 par un LM7833.

S'il l'alimentation de base fournit du  24V il vous sera impossible d'alimenter la carte ARDUINO comme précédemment. Vous serez contraint de procéder comme suit :

Le LM7805 accepte 40V sur son entrée. Vous serez limité à 1A. Certains modèles acceptent 1.5A. Si vous avez besoin de plus de courant il vous faudra choisir un autre régulateur, un MIC29300-5.0 (3A), MIC29300-3.3 (3A),un MIC29500-5.0 (5A) ou un MIC29500-3.3 (5A) par exemple.

Bien entendu il vous faudra adapter le dissipateur à la puissance dissipée (voir 3.6. Régulation).

Vous pouvez également vous orienter sur un module à découpage à base de LM2596 (3A), XL4015 (5A) ou XL4016 (8A).

Dans tous les cas le régulateur devra supporter 24V minimum en entrée.

4.10. Alimentation symétrique 2x15V 500mA

Ce dernier exemple traite d'une alimentation régulée linéaire 2x15V 500mA. Elle est destinée à alimenter un préamplificateur audio haut de gamme.

Beaucoup d'alimentations audio utilisent un couple de LM317 / LM337. Pourquoi choisir un régulateur exotique aussi cher ?
Un LM317 produit 0.003% de la tension de sortie sous forme de bruit soit 0.5mV pour l'objectif de 15V que nous avons, le LT1963 seulement 40μV, et le LT3015 60µV.

Un LT1963 aura un bruit 12500 fois inférieur à celui d'un LM317.

Le régulateur devra supporter au moins 30V sur son entrée.
Nous allons choisir un régulateur du type LT1963 et LT3015 en boîtier TO220.

Ces régulateur ajustables peuvent accepter 33V sur leur entrée, peuvent débiter 1.5A et ont une tension de drop-out de 250mV à 25° pour 0.5A.

Comme c'est une alimentation audio, le transfo va être surdimensionné.

Nous choisirons un pont de diodes 3A / 40V schottky afin d'obtenir une commutation rapide et limiter la chute de tension au maximum. Quatre diodes 1N5822 par exemple.Ces diodes offrent une chute tension de 0.5V.

Voici le résultat des calculs :


Tension de sortie maximale de l’alimentation 12 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 12 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 2 A

Tension nominale du transformateur 15 V

Tension à vide du transformateur 17 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 1 Ω
1N5822 Tension de chute du pont de diodes 0,5 V
1N5822 Tension inverse du pont de diodes 40 V
1N5822 Courant maxi du pont de diodes 3 A
1N5822 Courant maxi crête du pont de diodes 80 A
LT1963 Tension maxi du régulateur 33 V
LT1963 Courant maxi du régulateur 3 A
LT1963 Tension de drop-out du régulateur 0.25 V
LT1963 Résistance thermique du régulateur 3 °C/W

Tension minimale du transformateur 11.5 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 24 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 17.7 A

Tension redressée 21.21 V

Tension filtrée 20.21 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 19.2 V

Ondulation maximale crête à crête 3.95 V

Puissance minimale transfo 10.11 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 2.61 W

Capacité minimale de filtrage 1266 µF

Tension minimale du condensateur 24 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 31.5 °C/W

Comme c'est une alimentation audio haut de gamme, l'ondulation va être revue à la baisse, divisée par 8 : 0.5V. La capacité du condensateur est donc multipliée par 8 : 10000µF.
Nous choisirons deux condensateurs de 4700µF pour diminuer la résistance série, ou quatre condensateurs de 2200µF.
Le calcul donne une puissance de 10.11W pour le transformateur, pour un seul régulateur. Il faut bien sûr multiplier par deux.

Cela donne le schéma suivant :
Deux résistances vont fixer la tension de sortie de chaque régulateur.

Vout = Vref * (1 + R2 / R1)

Le LT1963 a une tension de référence de 1.21V. Cela donne pour notre alimentation 15V :

Vout = 1.21V x (1 + 3770 / 330) = 15.03V

Le LT3015 a une tension de référence de 1.22V. Cela donne pour notre alimentation 15V :
Vout = 1.22V x (1 + 3740 / 330) = 15.04V

Il va sans dire que les résistances seront choisies parmi des modèles à tolérance 1%. Un petit potentiomètre d'ajustage peut être prévu en série avec R2 et R4 :
  • R2 et R4 = 3.3K
  • potentiomètre 1K
Le petit condensateur de 10µF en sortie est nécessaire à la stabilité des régulateurs.

Considérations thermiques
Les régulateurs ne dissiperont pas une puissance importante, mais nous allons les dorloter.
Cela nous conduit à adopter un dissipateur de 10°C/W, pour les deux régulateurs, d'environ 35x38x15 :
Les deux régulateurs pourront être vissés dos à dos. Ils n'ont pas besoin d'être isolés du dissipateur car la partie métallique de leur boîtier est à la masse.

Pré-régulation
Il est possible aussi de pré-réguler avant les LT1963 et LT3015 à l'aide de deux régulateurs bas de gamme LM317 et LM337 :


Dans ce cas, le travail de régulation est partagé. Le LM317 fournit 17.5V au LT1963, le LM337 effectue le même travail pour le LT3015.
Le LT1963 et le LT3015 peaufinent la régulation et réduisent le bruit.

Un LM317 produit 0.003% de la tension de sortie sous forme de bruit soit 0.5mV pour nos 17.5V, le LT1963 seulement 40μV.

Comme le LM317 et le LM337 sont des régulateur ayant une tension de drop-out importante (2V environ), il est préférable d'augmenter la tension du transformateur. Nous passons à 2x18V.

Voici le résultat des calculs pour les LM317 / LM337:


Tension de sortie maximale de l’alimentation 17.5 V

Tension de sortie minimale de l’alimentation 17.5 V

Courant de sortie maxi de l’alimentation 0.5 A

Tension nominale du transformateur 18 V

Tension à vide du transformateur 20 V

Résistance de l’enroulement secondaire du transformateur 1.2 Ω
1N5822 Tension de chute du pont de diodes 0,5 V
1N5822 Tension inverse du pont de diodes 40 V
1N5822 Courant maxi du pont de diodes 3 A
1N5822 Courant maxi crête du pont de diodes 80 A
LM317 Tension maxi du régulateur 40 V
LM317 Courant maxi du régulateur 1.5 A
LM317 Tension de drop-out du régulateur 2 V
LM317 Résistance thermique du régulateur 5 °C/W

Tension minimale du transformateur 14.5 V

Tension minimale du pont de diodes et du régulateur 28.3 V

Intensité crête minimale du pont de diodes 21.2 A

Tension redressée 25.45 V

Tension filtrée 24.45 V

Tension filtrée minimale (tension filtrée -5%) 23.23 V

Ondulation maximale crête à crête 3.73 V

Puissance minimale transfo 12.23 VA

Puissance dissipée maxi du régulateur 3.48 W

Capacité minimale de filtrage 1341 µF

Tension minimale du condensateur 28 V

Température maxi 125 °C

Température ambiante 35 °C

Résistance thermique dissipateur 20.9 °C/W

La différence de tension entre l'entrée et la sortie du LT1963 et du LT3015 est de 2.5V, suffisante car leur tension de drop-out de 250mV est très faible.
Le LT1963 et le LT3015 dissiperont chacun 1.25W. Il sera possible de choisir des dissipateurs plus petits, environ 20x20x10.

Par contre deux dissipateurs de 35x38x15 seront attribués aux LM317 et LM337.

Cette technique de pré-régulation est par exemple utilisée dans le "Sulzer-Borbely Regulator" et le "Jung 2000 Regulator", deux des régulateurs les plus fameux dans le monde de l'audio :
https://www.tangentsoft.net/elec/opamp-linreg.html

5. Et pourquoi pas une alimentation de laboratoire réglable ?

Comme ce régulateur LT1085 ou LT3086 est réglable pourquoi ne pas imaginer une alimentation de laboratoire ?

Certains régulateurs comme le LT3081 sont plus qu'intéressants :
  • tension d'entrée jusqu'à 36V
  • courant de sortie 1.5A
  • réglage de la tension
  • réglage du courant maximal
  • mesure du courant de sortie
  • mesure de la température du régulateur
  • très faible bruit
J'ai développé à base de ce circuit une alimentation symétrique linéaire 2x6V à 2x18V 1.5A, dont le courant de sortie maximal est réglable.
Le dossier est ICI.

Il y a aussi le LM723 mais il vous faudra ajouter plus de composants, en particulier un transistor darlington de puissance :
  • tension d'entrée jusqu'à 40V
  • courant de sortie 150mA (beaucoup plus si vous ajoutez un transistor ballast)
  • réglage de la tension
  • réglage du courant maximal
  • très faible bruit
Pour calculer une alimentation réglable à l'aide de la feuille de calcul, les cellules C2 et C3 auront des valeurs différentes. La tension minimale est utilisée pour calculer la dissipation du régulateur, car c'est à la tension de sortie minimale qu'il dissipera le plus.

6. Conclusion

Comme vous l'avez constaté une alimentation continue peut être simple à concevoir s'il s'agit d'une simple source de tension filtrée.
Par contre lorsqu'il s'agit d'alimentations régulées linéaires, cela peut s'avérer plus difficile.

Pour des puissances très importantes, une vraie alimentation à découpage est souvent largement préférable :
Comme je le disais plus haut, concevoir une alimentation à transformateur peut être de plus l'occasion de réutiliser quelques composants de récupération.

Attention toutefois à ne pas réutiliser des transformateurs trop anciens car le vieillissement du vernis des enroulements peut occasionner des craquelures en surface et être à l'origine d'arcs électriques, d'échauffement et de dégagement de chaleur et de fumée.

La réutilisation de condensateurs ayant servi de nombreuses années peut également être problématique, surtout s'ils comportent des traces de coulures d'électrolyte ou s'ils sont bombés comme celui-ci :

Dans tous les cas, testez leur capacité avant de les utiliser.

Par exemple, ne réutilisez pas de condensateurs situés à côté du processeur d'une vieille carte mère de PC, car ils sont soumis à une température plus importante que les autres.

Je vous remercie d'avoir pris le temps de me lire et j'espère que cet article vous aura plu et vous sera utile.

7. Téléchargements

Il faut utiliser le lien "Download repository" qui téléchargera un fichier ZIP :https://bitbucket.org/henri_bachetti/transformer-power-supplies/downloads/


Cordialement
Henri

8. Mises à jour

20/01/2019 : ajout paragraphe 1. Alimentation linéaire contre découpage
24/01/2019 : ajout paragraphe 4.9. Alimentation 12V ou 24V + 5V ou 3.3V régulée
20/03/2019 : feuille de calcul déménagée vers BitBucket.org