LNK304 : Alimentation à Découpage 120mA

LNK304 : Alimentation à Découpage 120mA

Suite à l'article sur les alimentations sans transformateur je vais vous présenter un circuit intégré permettant de réaliser une alimentation également sans transformateur, mais à découpage : le LNK304.

Ce circuit de Power Integrations est largement utilisé dans le monde électroménager.

1. La théorie

Dans l'article précédent, nous avions vu que l'on pouvait utiliser un condensateur pour abaisser la tension de 230V à 24V, mais que nous étions très limités en matière de courant produit, et que la charge devait de préférence être assez constante.

Si l'on veut produire un courant important à travers un condensateur, la valeur de celui-ci devient vite excessive et engendre des problèmes de coût et d'encombrement. Le problème est lié à la fréquence du secteur. Plus la fréquence est basse, plus la capacité du condensateur augmente.

D'autre part si la charge consomme un courant variable, une régulation s'impose. L'utilisation d'une zener permet une régulation sommaire mais la puissance dissipée par celle-ci est importante si le courant produit est variable.

Une alimentation à découpage permet de s'affranchir de ces deux inconvénients. La tension secteur est redressé, filtrée, puis découpée en PWM avec une fréquence élevée, de l'ordre de 50Khz à 100KHz, puis filtrée à nouveau avec un circuit LC. Une régulation permet de stabiliser la tension.

2. La sécurité

Comme dans l'article précédent, des règles de sécurité s'appliquent.

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/

3. Le schéma

Celui-ci est largement inspiré de la datasheet du LNK304, avec des améliorations mineures :

• une varistance de protection
• un régulateur linéaire 5V ou 3.3V

Comme dans tout appareil sur secteur qui se respecte, une protection anti-surtension est assurée par une varistance 275V précédée d'une résistance fusible.
La résistance RF1 peut être remplacée par un fusible, y compris automatique.
La self L2 peut être remplacée par une résistance de 10Ω à 33Ω.

Pour les mêmes raisons que dans l'article précédent une tension de 24V a été choisie pour des raisons de courant consommé. Si nous avions un relais à piloter, nous aurions avantage à utiliser un modèle 24V, qui aura une résistance de bobine largement supérieure à un modèle 5V : 3KΩ par exemple, ce qui produira un courant de 8mA, au lieu de 40mA pour le même relais en 5V.

Pour obtenir une tension de 12V il suffit de changer la résistance R1 pour une 13KΩ :

Valim = Vref * (1+ R1 / R3) = 1.65 * (1 + 13000 / 2000) = 12.375V

R1 vaudra 4.3KΩ pour obtenir 5V :

Valim = Vref * (1+ R1 / R3) = 1.65 * (1 + 4300 / 2000) = 5.2V

Le régulateur LM78L05 permet d'alimenter une carte ARDUINO et quelques modules.

Le condensateur C2 de 100µF 35V est un modèle faible ESR.
La diode D1 est une UF4005 (Ultra Fast 4005).

L'alimentation est capable de produire un courant de 120mA, à répartir entre le 24V et le 5V, par contre ce ne sera possible que si le LNK304 est soudé sur un PCB sur lequel on aura résevé un plan de cuivre permettant d'évacuer les calories par les pins 1, 2, 7 et 8.

4. 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.

Je ne suis pas allé jusqu'à la production d'un PCB pour l'instant mais sur une breadboard l'alimentation fournit :

• 24.2V à vide
• 23.9V chargée avec une résistance de 1KΩ, ce qui produit un courant de 24mA
• 23.5V chargée avec une résistance de 470Ω, ce qui produit un courant de 50mA

Le LNK304 chauffe pas mal. Avec une charge de 470Ω il entre rapidement en protection thermique.

J'ai fait un essai avec un petit dissipateur 10x10x10mm collé sur le chip :

Avec ce petit dissipateur j'ai pu obtenir 60mA avec une charge de 390Ω.

Le LNK304 aurait besoin d'un PCB avec plan de cuivre d'une surface importante pour pouvoir dissiper plus. Étant donné la résistance thermique de son boîtier (70°C/W),  une vingtaine de cm² de cuivre seront nécessaires pour dissiper 1W.

D'après la datasheet du LNK304 cette alimentation devrait avoir un rendement de 75%.

5. Conclusions

5.1. Encombrement

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

Ce premier brouillon de PCB a des dimensions raisonnables : 53x28mm.

La hauteur des deux condensateurs de 47µF 400V est de 12.5mm, inférieure à celle d'un module alimentation du commerce MeanWell ou Hi-Link (15mm).

On peut bien entendu doubler la surface de dissipation en adoptant un PCB double face avec deux plans de cuivre (total 20cm²) :

5.2. Prix

Quel est son prix ?

• varistance S10K275 : 0.12€
• 2 condensateurs 4.7µF 400V : 0.36€
• 1 résistance fusible 1/2W : 0.09€ 
• self 1mH 100mA : 0.28€
• 2 diodes 1N4007 :  0.14€
• LNK304 : 1.13€
• 3 résistances 1/4W : 0.03€
• 2 condensateur 100nF : 0.36€
• condensateur 10µF 35V : 0.07€
• self 1mH 300mA : 0.35€
• condensateur 100µF 35V faible ESR : 0.11€
• régulateur LM78L05 : 0.21€
• diode UF4005 : 0.07€
• diode 1N4005 : 0.03€

Hors PCB cette alimentation coûtera donc : 3.35€, environ le prix d'un module Hi-Link, et elle produit deux tensions.

Les prix sont ceux relevés sur le site de mon fournisseur : TME.

Sur AliExpress on obtiendra des prix inférieurs :

• LNK304 : 3.50€ les dix pièces
• condensateur de 4.7µF 400V : 1€ les 20 pièces
• diode 1N4007 : 0.85€ les 100 pièces
• self 1mH 300mA : 1€ les dix pièces

Il est certainement possible de diviser le prix par 3 ou 4.

5.3. Intégration à un PCB

Tout comme l'alimentation sans transformateur, cette alimentation est avantageuse dans le cas où l'on désire l'intégrer à un PCB.
Les composants de l'alimentation seront placés à notre convenance, en fonction des autres composants, et également en tenant compte des contraintes mécaniques.

Je vous conseille de lire l'article précédent : alimentations sans transformateur car il contient pas mal de remarques valables aussi pour une alimentation à découpage.

J'espère que ces deux petits articles sur les alimentations vous seront utiles.


Cordialement
Henri