Alimentations sans transformateur

Alimentations sans transformateur

Nous allons dans cet article élaborer une alimentation secteur régulée sans transformateur.
Il ne s'agit pas d'intégrer un module à découpage, mais bien de produire une tension continue très basse tension à partir du 230V.

Nous allons parler d'alimentation par chute de tension capacitive. Ce principe est largement utilisé dans les appareils électroménagers.

Pour cela nous allons partir d'un cas concret. Nous allons essayer d'alimenter un montage comportant les composants suivants :

• un ARDUINO
• un module radio
• un relais

Cela ressemble à un relais connecté non ?

1. La théorie

Il est possible de faire chuter une tension alternative trop élevée simplement à l'aide d'un condensateur.
Un condensateur a une impédance (appelée aussi réactance) que l'on peut calculer comme ceci :

X = 1 / (2 * Pi * F * C)

F : 50Hz

C : capacité en Farad

Si nous alimentons une charge consommant un courant I, sous 230V en 50Hz on peut calculer la capacité nécessaire :

C = I / (2 * 3.14 * 50 * (230 - U))

I : courant

U : tension d'alimentation désirée

2. La sécurité

Imaginons qu'une charge est alimentée directement sur le secteur 230V à travers un condensateur :

A priori, si l'on ne prend pas la précaution de vérifier si la charge est connectée coté neutre ou côté phase, il y a une chance sur deux pour que l'on risque une électrocution si l'on touche l'un des deux pôles de la charge.

Recommandation essentielle avant d'aller plus loin : lorsque l'on met sous tension un montage connecté au secteur sans transformateur d'isolement, on risque sa vie si l'on y touche.

Deuxième recommandation : il est absolument hors de question de connecter un câble USB entre un PC et un ARDUINO alimenté de cette manière. Pour charger le logiciel, il faudra couper le secteur.
Ou alors il faudra utiliser un convertisseur USB / série avec optocoupleurs. Voir ici : https://softsolder.com/2010/01/13/arduino-serial-optical-isolator/

Troisième recommandation : afin de garantir que le condensateur ne se mettra pas en court-circuit, celui-ci devra être du type polypropylène X2 :
https://riton-duino.blogspot.com/2019/07/lutilisation-des-condensateurs.html
Voir :  2.5. Condensateur de filtrage et anti-parasitage secteur

3. Le courant consommé

Quel courant peut-on consommer sur ce type d'alimentation ?

On voit bien d'après la formule précédente que la valeur du condensateur sera proportionnelle au courant consommé.

Pour une tension de 5V et 1A nous obtiendrons :

C = I / (2 * 3.14 * 50 * (230 - U))
C = 1 / (2 * 3.14 * 50 * (230 - 5)) = 14µF

Or un condensateur de 14µF X2 va être très difficile à trouver.
Cela pose également un problème de coût et de taille : un condensateur X2 de 10µF coûte au minimum 2.50€ et a une dimension de 40x30x45mm.

Autant opter pour un module à découpage :

Un module MeanWell 5V 1A coûte moins de 7€ et a des dimensions plus intéressantes : 45.7x25.4x21.5mm.

Un module HI-Link 5V 600mA coûte moins de 3€ et a les dimensions suivantes : 34x20x15mm.

3.1. Réguler

La tension sur la charge va dépendre du courant consommé. Il est rare que le courant consommé par nos montages à microcontrôleur soit constant.

Il va donc falloir réguler cette tension :

Si nous utilisons un régulateur, quel qu'il soit, la tension à son entrée ne devra pas dépasser une certaine valeur.
Plus le courant consommé sur sa sortie sera faible, plus la tension à son entrée augmentera.

3.2. Limiter la tension

Pratiquement, la solution la plus simple est de limiter la tension à l'entrée du régulateur par une diode zener.

On s'aperçoit très vite des limites de notre alimentation :

• courant limité
• variations de courant limitées

3.3. Choix d'un relais

On s'aperçoit également très facilement que si l'on désire alimenter un relais il va falloir s'orienter vers un modèle consommant peu.
Les relais 5V ne conviendront pas. Ils ont une résistance de bobine trop faible : 125Ω par exemple, ce qui produirait un courant de 40mA.
Un relais 12V ayant une résistance de bobine de 700Ω absorberait un courant de 17mA.

Nous choisiront plutôt un relais 24V, qui aura une résistance de bobine largement supérieure : 3KΩ par exemple, ce qui produira un courant de 8mA, largement plus acceptable.

Pour commander un relais 24V à partir d'un microcontrôleur 5V ou 3.3V voir ici : https://riton-duino.blogspot.com/2018/08/alimenter-un-relais-transistor.html
Paragraphe 3. Piloter un relais 12V ou plus

4. Le schéma

Version L78L33

Cette alimentation propose deux sorties :

• une sortie 24V pour un relais
• une sortie 5V ou 3.3V pour un microcontrôleur

Sur ce schéma nous avons ajouté :

• un pont redresseur double alternance
• un condensateur de filtrage
• une diode zener 24V
• un régulateur 5V ou 3.3V et son condensateur de stabilisation

La résistance R1 permet de décharger le condensateur quand la tension secteur disparaît.
La résistance R2 limite le courant de charge du condensateur C2 lorsque celui-ci est déchargé (mise sous tension) afin de protéger le pont de diodes.
Dans cet exemple elle permet de limiter la pointe de courant à :

I = 230 * √2 / 68 = 4.8A

Le moindre pont de diodes 1A supporte aisément des pointes de 40A. Nous sommes donc largement à l'abri d'un claquage du pont de diodes.
Bien entendu celui-ci devra également supporter nos 24V.

La puissance supportée par cette résistance sera faible. Pour une alimentation délivrant 30mA :

P = 68 * (0.030²) = 60mW

La résistance R3 abaisse la tension à l'entrée du régulateur. Voir plus loin :
4.5. Le régulateur

Revenons sur notre montage à alimenter :

• un ARDUINO
• un module radio
• un relais 24V

L'ARDUINO sera de préférence un modèle basse consommation : PRO MINI 8MHz alimentée en 3.3V.
Le module radio restera en mode réception.
Le relais sera activé ou non, en fonction des ordres reçus.

On pourrait aussi utiliser une carte PRO MINI 16MHz alimentée en 5V et fournir au module radio une alimentation 3.3V à l'aide d'un régulateur supplémentaire.

Rappel : si l'ARDUINO est bel et bien alimenté en 3.3V ou 5V avec ce genre d'alimentation, le potentiel présent sur ses broches ou celles de tout module ou composant présent sur le montage - relais y compris - peut être mortel.

4.1. Bilan de consommation

Nous pouvons en déduire une consommation typique :

• ARDUINO : 6mA
• module radio : 12mA
• relais : 8mA

Nous avons besoin au maximum de 26mA au total.
Le courant consommé minimal sera de 18mA (ARDUINO + radio)

La diode zener a besoin d'un courant minimal pour pouvoir assurer son rôle. Quelques mA suffisent : 4mA.

Cela nous conduit a adopter un courant maximal de 26 + 4 = 30mA.

Quel que soit le courant consommé par le montage, le condensateur C1 laissera toujours passer 30mA.
Cela veut dire que la consommation de cette alimentation est constante, quelle que soit la consommation du montage qu'elle alimente.
Cela veut dire également que le courant non consommé par le montage passera dans la diode zener. Il faut la dimensionner correctement.

Voyons comment calculer tout cela.

4.2. Calcul du condensateur

Calculons la valeur du condensateur C1 :

C1 = 0.030 / (2 * 3.14 * 50 * (230 - 3.3)) = 420nF

Une valeur standard de 470nf sera choisie.
Attention, la capacité d'un condensateur X2 est donnée avec une tolérance de +/-10% à +/-20%. Prenez de la marge.

La réactance du condensateur aura comme valeur :

X = 1 / (2 * Pi * F * C) = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 470nF) = 6775Ω

Le courant traversant le condensateur ne pourra jamais excéder :

I = U / X = 230 / 6775 = 34mA

Si ce courant est dépassé, le courant dans la zener deviendra nul, la tension à ses bornes chutera, mais le régulateur assurera encore sa fonction, tant que sa tension d'entrée ne se rapproche pas trop de sa tension de sortie :

Ue = Us +Udo

Ue : tension d'entrée

Us : tension de sortie
Udo : tension de drop-out du régulateur

4.3. Puissance de la diode zener

Quelle puissance devra supporter la diode zener ?

Si le montage consomme 26mA (relais activé), la zener devra supporter la différence : 30mA - 26mA = 4mA.
Si le montage consomme 18mA (relais non activé), la zener devra supporter la différence : 30mA - 18mA = 12mA.

La puissance de la zener sera calculée comme suit :
P = U * I = 24V * 12mA = 288mW

Une BZX55C24 supportant 500mW devrait suffire.

Si par exemple le module radio n'était pas alimenté en permanence, le montage au repos consommerait moins : les 6mA de l'ARDUINO

La zener devrait supporter la différence : 30mA - 6mA = 24mA.

La puissance de la zener devra être supérieure :
P = U * I = 24V * 24mA = 576mW

Une BZX85C24 supportant 1.3W serait plus appropriée.

4.4. Le filtrage

Le condensateur de filtrage C2 doit être dimensionné. Nous allons admettre 1V d'ondulation (Vo) :

C2 = I / (Vo * F * 2) = 0.030 / 100 = 300µF

I : 0.030A
Vo : 1V
F : 50Hz

Remarque : un redressement double alternance par pont de diodes a été choisi afin de pouvoir diminuer la valeur de C2, d'où la multiplication par deux de la fréquence.

Les condensateurs électrolytiques vieillissent plus rapidement s'il sont traversés par un courant important. Ici le courant est proportionnel à l'ondulation.

Dans la datasheet d'un condensateur comme le Nichicon UVR1V471MPD on voit que l'ondulation (ripple) ne doit pas dépasser 1V à 120Hz.
Nous choisirons une valeur standard de 470µF pour ramener cette ondulation en dessous de 1V.

4.5. Le régulateur

4.5.1 Choisir un régulateur a faible courant de repos
Un HT7333 capable de fournir 250mA, supportant 30V en entrée et consommant 4µA, ou un HT7533 (100mA, 24V, 2.5µA) sont de bons choix.

Avec un classique L78L33, celui-ci consommant 6mA au repos (quel glouton !), nous serons obligés d'en tenir compte et de les ajouter à nos 30mA :

C1 = 0.036 / (2 * 3.14 * 50 * (230 - 3.3)) = 506nF

Nos 470nF ne suffisent plus dans ce cas. On adoptera donc 560nF ou 680nF.

Pour obtenir une tension de 5V, choisissiez plutôt un HT7350 ou un L78L05.

Vous pouvez faire d'autres choix : https://riton-duino.blogspot.com/2018/11/les-regulateurs-ldo.html

Le régulateur va dissiper quelque peu, surtout avec une différence de tension entre entrée et sortie importante. Le courant qu'il fournit est de 18mA ((ARDUINO + radio)) :

P = (Us - Ue) * I = (24V - 3.3V) * 0.018 = 372mW

4.5.2 Limiter la tension à l'entrée du régulateur
Tous les régulateurs ne supporteront pas cette puissance. Un boîtier TO220 n'aura pas de problème à la dissiper, par contre un TO92 aura du mal. S'il entre en protection, diminuons sa tension d'entrée comme ceci :

Avec une résistance R3 de 1KΩ la chute de tension sera de :

UR3 = 18mA * 1KΩ = 18V

Il restera 24V - 18V = 6V en entrée du régulateur, ce qui est plus que suffisant, même pour un L78L33.

Avec un régulateur 5V adoptez plutôt une valeur moins élevée : 820Ω.

Prévoyez une résistance d'1/2W. Elle ne doit pas être soudée au ras du PCB, mais plutôt à 1cm de celui-ci afin de faciliter la dissipation.

4.5.3 Utiliser un régulateur supportant moins de 24V
Comme nous avons fortement abaissé la tension en entrée nous pourrons choisir un régulateur supportant largement moins de 24V, sans toutefois se rapprocher trop près de 6V. On trouve beaucoup de régulateur supportant 12V.
Notre choix s'élargit.

4.5.4 Protéger le régulateur
Si la charge en sortie est débranchée la tension va augmenter à son entrée.
Si l'on veut éviter tout problème pendant les manipulations, on peut mettre en parallèle sur C3 une zener de 8 à 12V :

Protection du régulateur par une zener : D3

La tension de la zener doit être inférieure à la tension supportée en entrée par le régulateur.

4.5.5 Condensateur de stabilisation
Les condensateurs C3 et C4 seront choisis en consultant la datasheet du régulateur.

4.5.6 Récapitulatif
Voici un petit tableau résumant les composants à utiliser en fonction du régulateur :

Régulateur	C1	C3	C4	R3	D3
L78L33	560nF	330nF	100nF	1KΩ
HT7333	470nF	10µF 16V	10µF 6.3V	1KΩ
HT7533	470nF	10µF 16V	10µF 6.3V	1KΩ	12V
LM2936-3.3V	470nF	100nF	22µF 6.3V	560Ω
MCP1702-3.3V	470nF	1µF MLCC	1µF MLCC	560Ω	8.2V
L78L05	560nF	330nF	100nF	820Ω
HT7350	470nF	10µF 16V	10µF 6.3V	820Ω
HT7550	470nF	10µF 16V	10µF 6.3V	820Ω	12V
LM2936-5V	470nF	100nF	10µF 6.3V	560Ω
MCP1702-5V	470nF	1µF MLCC	1µF MLCC	560Ω	8.2V

Le LM2936 n'assure pas sa fonction de régulation avec une résistance R3 supérieure à 560Ω.

Attention : le brochage des HT7333 et HT7533 est différent :

4.6. Le rendement

Le rendement de cette alimentation est plutôt faible.
La puissance utile totale est de :

Sur le 3.3V :

P = U * I = 3.3 * 18mA = 59mW

Sur le 24V :

P = U * I = 24 * 8mA = 26mW

La puissance consommée totale est de :

P = U * I = 24 * 30mA = 720mW

Les pertes sont donc de 694mW lorsque le relais est au repos, et de 635mW lorsque le relais est activé.
Il est à noter que la majeure partie des perte sont situées au niveau de la résistance R3.
Le montage ne devra pas être enfermé dans un boîtier étanche, dans une boîte encastrée ⌀67 pour cloison sèche par exemple.

Rendement comparatif d'un module à découpage
Si nous avions à réaliser ce montage à partir d'un module MeanWell 5V 1W, nous utiliserions un relais 5V, et nous aurions le même régulateur 3.3V pour l'ARDUINO et le module radio.

L'ARDUINO + module radio consomme 18mA :

P = U * I = 5 * 18mA = 90mW

Sur le 5V le relais consommerait 40mA de plus :

P = U * I = 5 * 58mA = 290mW

Le rendement de l'alimentation MeanWell est de 70% et les pertes sans charge de 75mW.

Les pertes seraient de :

Relais au repos :

P = 90 * 30% + 75 = 102mW

Relais activé :

P = 290 * 30% + 75 = 162mW

Le rendement serait donc nettement supérieur avec un module à découpage.

L'échauffement global serait moindre également : 192mW relais au repos et 452mW relais activé.
Alors qu'il sera systématiquement de 720mW avec notre alimentation sans transformateur, car la consommation est constante.

4.7. La critique

On pourrait reprocher à cette alimentation de ne pas disposer de la protection habituelle par fusible + varistance.

A y regarder de plus près on s'aperçoit vite que c'est totalement inutile :

• le condensateur X2 est censé (c'est normalement garanti et testé) ne pas se mettre en court-circuit
• étant donné le courant consommé (30mA), il serait difficile de trouver un fusible approprié
• quelque soit le courant consommé sur l'alimentation celui-ci sera limité par le condensateur : 34mA comme on l'a calculé en 4.2
• si la zener venait à se mettre en court-cicuit par exemple, le courant traversant le condensateur n'excéderait pas cette valeur

5. Les tests

Rappel : pour tester ce montage en toute sécurité, à partir du moment où celui-ci est sous tension, on ne doit pas y mettre les doigts.

5.1. Test en charge au repos

Une résistance de 180Ω est connectée sur la sortie 3.3V afin de simuler la présence d'un microcontrôleur et d'un module radio (ou autre).
Elle absorbe donc 18mA.

La tension aux bornes de la zener et de C2 est de 26.8V
La tension en sortie de régulateur est de 3.28V

Rappel : dans ces conditions la zener absorbe 30ma - 18mA = 12mA
Cela correspond à une puissance de 288mW.

Elle est légèrement chaude, ce qui est parfaitement normal.

Rappel : on ne met pas les doigts sur la zener pour vérifier sa température. On débranche le secteur d'abord.

5.2. Test à pleine charge

Une résistance de 3KΩ est connectée sur la sortie 24V afin de simuler l'activation d'un relais 24V ayant une résistance de bobine élevée.

La tension aux bornes de la zener et de C2 tombe à 25.3V

Rappel : dans ces conditions la zener absorbe 30ma - 26mA = 4mA
Cela correspond à une puissance de 96mW.

Elle doit donc être beaucoup plus froide.

6. Conclusions

Première remarque : la tension aux bornes de la zener varie. C'est normal étant donné que le courant qui la traverse n'est pas constant.
On aurait d'ailleurs pu se contenter d'une zener de 22V.

6.1. Encombrement

Quel encombrement aura cette alimentation ? Voici un exemple d'implantation :

Sa taille sera d'environ 46x22x17mm. Le condensateur X2 occupe beaucoup d'espace.
Il est possible de diminuer la hauteur à 11mm en plaçant les condensateurs C1 et C2 horizontalement, au prix d'une augmentation de la surface.
A noter : la résistance R1 de 1MΩ est implantée sous le condensateur X2. Celui-ci le permet car il est creux sur une hauteur de 5mm.

A noter également : si l'on intègre cette alimentation à un PCB équipé d'autres composants, le connecteur P1 sera présent de toutes façons (y compris si l'on utilise un module à découpage) et le connecteur P2 à 3 broches devient inutile.
Au final, cette alimentation occupera un peu moins de place qu'un module à découpage.

On peut en faire un module intégrable sur breadboard (38x22mm) :

6.2. Prix

Quel est son prix ?

• condensateur X2 470nF : 0.22€
• pont de diodes 1A / 80V B40D : 0.22€
• 2 résistances 1/4W : 0.01€
• 1 résistance 1/2W : 0.01€
• zener 24V 1.3W : 0.05€
• régulateur HT7333 : 0.05€
• condensateur 10µF 16V : 0.10€
• condensateur 10µF 6.3V : 0.13€

Hors PCB cette alimentation coûtera donc : 0.79€ !
Les prix, sauf ceux du régulateur, sont ceux relevés sur le site de mon fournisseur : TME.
En se fournissant sur AliExpress, son prix sera encore inférieur.
Un condensateur X2 de 470nF sur AliExpress vaut une douzaine de centimes, un pont de diodes 1A DB107 : 4 centimes.
Je vous laisse imaginer le prix total ...

6.3. Intégration à un PCB

Outre son prix ridicule, quel est l'intérêt final de cette alimentation ?

Elle est particulièrement avantageuse dans le cas où l'on désire produire un PCB regroupant tous les composants :

• alimentation
• microcontrôleur
• module radio ou autre
• relais miniature
• connecteurs

Il serait assez ridicule de développer un module regroupant les composants de l'alimentation afin de l'intégrer ensuite à un PCB. Nous allons donc placer tous les composants sur le PCB final.

Les composants de l'alimentation seront placés dans ce cas à notre convenance, en fonction des autres composants, et également en tenant compte des contraintes mécaniques :

Ce PCB comprend un microcontrôleur , un module NRF24L01, un relais et quelques petits composants. Il est destiné à être logé dans un boîtier rail DIN de largeur 35mm (2 modules) :

Attention ce n'est qu'un brouillon pour l'exemple. Ce PCB est une étude de faisabilité. Il n'est présenté qu'en tant qu'illustration, rien de plus, mais il est plutôt représentatif. Je ne pense pas qu'il manque grand chose pour qu'il soit opérationnel.
En utilisant des composants CMS (transistor, résistances), il serait même possible de réduire encore sa taille.

Comme on le voit, il y a quelques contraintes :

• le boîtier n'a pas la même hauteur sur toute sa surface (16.5mm, 33mm, 47mm)
• il y a des trous de fixation pour le PCB. Il serait bien qu'au moins un de ces trous reste accessible
• il y a des trous de passage de tournevis pour les borniers

Le condensateur X2 fait 18mm de haut. Il doit être placé là où la hauteur le permet. Il ne peut être implanté en horizontal (il serait trop large)
Mêmes remarques pour le condensateur C2 de 470µF 35V.

Le relais HONGFA HF7520 a une hauteur de 11mm. On peut le placer où bon nous semble.
Idem pour les borniers.

Le NRF24L01 est placé sur un connecteur 8 points. Il est placé trop haut pour passer sous la barre des 16.5mm.

L'ATMEGA328 est placé sous le NRF24L01, de préférence pas sous l'antenne de celui-ci.

Sur le PCB les trous de fixation, en bas du condensateur X2 et à droite du transistor PN2222, sont libres. Il reste même un peu de place !

On ne réussirait pas à placer une alimentation Meanwell IRM-03 ou une Hi-Link PM03 sur ce PCB, sauf si l'on adopte un boîtier de largeur 52mm (3 modules).

Dans ce cas, une alimentation sans transformateur apporte bien des facilités de mise en place.
Le fait qu'elle ne soit pas isolée du secteur n'a pas d'importance car elle est enfermée dans un boîtier plastique.

6.3.1. Ventilation
Comme on l'a vu plus haut (4.6. Rendement), la puissance dissipée totale du montage est de 720mW.
Rappel : la résistance R3 d'1/2W ne doit pas être soudée au ras du PCB, mais plutôt à 1cm de celui-ci afin de faciliter la dissipation.

Le boîtier est suffisamment volumineux pour éviter un échauffement excessif, et de plus il possède des languettes amovibles pour l'accès aux borniers. On peut toutes les retirer pour créer une ventilation naturelle :

A titre de comparaison, dans mon coffret électrique j'ai une RASPBERRY PI 1B, qui dissipe normalement 500mW, enfermée dans un boîtier pour rail DIN 70mm. La température du processeur est de 42°, ce qui est largement acceptable.

J'espère que ce petit tour vous aura intéressé et vous sera utile.


Cordialement
Henri

7. Mises à jour

05/08/2019 : ajout résistance de protection du régulateur
                     module intégrable sur breadboard
06/08/2019 : 4.6. Le rendement
                     6.3.1. Ventilation
07/08/2019 : 4.5.3 Utiliser un régulateur supportant moins de 24V
                     4.5.4 Protéger le régulateur