dimanche 19 septembre 2021

Audio : Alimentation Symétrique à Faible Bruit

 


Audio : Alimentation Symétrique à Faible Bruit


L'alimentation est un point à ne pas négliger en audio. Dans cet article nous allons étudier une alimentation symétrique 500mA destinée à un préamplificateur, ou un filtre actif à amplificateurs opérationnels (AOP).

Les adeptes d'audio haut de gamme ne sont en général pas étonnés de trouver des alimentations doubles très largement surdimensionnées, jusqu'à 100W, dans des préamplificateurs ne consommant que quelques watts. A chacun ses croyances.

Mon choix de filtrage de 2x10000µF paraîtra ridicule à certains, qui n'hésiteraient pas à multiplier par 10 ces valeurs. Seraient-ils capables de déceler à l'oreille et en aveugle la différence ? Toute la question est là. Le marketing est là pour les persuader qu'ils ont raison.

Sérieusement, combien d'audiophile se sont-ils déjà donné la peine de comparer deux alimentations secteur sur un préamplificateur ou un filtre actif ? ? ? La réponse tient probablement en deux mots : EXCESSIVEMENT PEU.

Ceux dont le fantasme est une alimentation séparée de 50W par canal avec un filtrage de 100000µF peuvent parfaitement la concevoir eux-mêmes, y compris à partir de mes schémas.

1. Tension et puissance d'alimentation

Nous allons prendre comme exemple un circuit de filtrage actif comportant une bonne dizaine d'AOP, des LM4562.

Le LM4562 supporte d'être alimenté au maximum sous +/-17V. On l'alimentera donc sous +/-9V, +/-12V ou +/-15V.

Pour ma part j'ai préféré alimenter en +/-12V, car le choix en matière de  régulateurs est plus large.

Chaque AOP consomme 7.5mA. Pour un filtre actif cossu (3 voies + voie grave) il peut y en avoir 14 au maximum. L'ensemble consomme donc 105mA, soit 2.5W sous +/-12V.

Avec des NE5532, OPA2134, ou OPA1652, la consommation sera à peu de chose près la même.

Il convient de consulter la datasheet de l'AOP envisagé afin d'en vérifier la consommation au repos.

L'appareil à alimenter peut comporter des composants fonctionnant sous 5V ou 12V :

  • microcontrôleur
  • relais
  • potentiomètre motorisé
  • etc.

Il serait assez peu judicieux d'alimenter ces composants à partir de la même alimentation, car un relais ou un moteur pourraient engendrer des perturbations audibles. Il est préférable de prévoir une alimentation séparée, avec son propre transformateur.

2. Les solutions du commerce

Il existe une foule de solutions. On peut utiliser toute carte d'alimentation capable de fournir +/-9V, +/-12V ou +/-15V avec un courant d'au moins 150mA, comme les cartes à base de régulateurs linéaires :

  • LM317/LM337 (1.5A, bruit 360µV)
  • LT1963/LT3015 (1.5A, bruit 40µV, 60µV)
  • LT3081/LT3091 : (1.5A, bruit 27µV, 18µV)
  • LT3045/LT3094 (500mA, bruit 0.8µV)

2.1. Modules

Il existe des modules tout faits.

Modèles avec redressement et filtrage :

Ces modules n'auront besoin que d'un transformateur 2x12V ou 2x15V. Leur tension de sortie est réglable. On pourra le faire suivre d'un module de régulation plus performant si on le désire.

Modules de régulation sans redressement ni filtrage :

Ces derniers nécessiteront l'ajout d'un module de redressement / filtrage entre le transformateur et l'entrée de la carte. Leur tension de sortie étant fixe, il faut commander le modèle qui convient le mieux à son application.

2.2. Réalisation semi-DIY

Avec des modules de régulation du commerce il est parfaitement possible de réaliser une alimentation complète très performante :

Avec un transformateur 2x9V à 2x12V, un module de redressement / filtrage avec des condensateurs supportant 25V sera suffisant.

Avec un transformateur 2x15V à 2x18V, il vaut mieux choisir un module de redressement / filtrage avec des condensateurs supportant 35V.

ATTENTION :

Les modules LM317/LM337 et LT3081/LT3091 supportent respectivement 40V, 36V et 38V en entrée. On peut donc les utiliser sans trop de précaution, même avec des transformateurs de 2x15V ou 2x18V.

Les modules LT1963/LT3015 et LT3045/LT3094 supportent au maximum 20V en entrée. Si nécessaire, il faudra abaisser cette tension à l'aide de deux régulateurs classiques LM317 et LM337 si le transformateur est un modèle 2x12V, 2x15V ou 2x18V. Dans ce cas, on pourra avantageusement utiliser une solution de ce type :

  • un transformateur 2x12V, 2x15V ou 2x18V
  • un module LM317/LM337 avec redressement et filtrage 35V
  • un module de régulation parmi ceux listés ci-dessus

Pour résumer, voici quelques solutions :

Transfo 2x9V + redresseur-filtre 25V + LT3045/LT3094 ou +/-9V

Transfo 2x10.5V + redresseur-filtre 25V + LT3045/LT3094 +/-12V
Transfo 2x12V + redresseur-filtre 25V + LT3081/LT3091 +/-12V
Transfo 2x15V + redresseur-filtre 35V + LT3081/LT3091 +/-12V ou +/-15V
Transfo 2x12V + module LM317/LM337 + LT3045/LT3094 +/-12V
Transfo 2x15V + module LM317/LM337 + LT3045/LT3094 +/-12V ou +/-15V

Remarques : 

Ne pas oublier qu'un transformateur délivre une tension à vide bien supérieure à sa tension nominale.

Concernant la solution N°2, il est impératif de mesurer la tension redressée / filtrée avant de brancher un module LT3045/LT3094 ou LT1963/LT3015.

2.3. Alimentations complètes

On trouve également des alimentations toutes faites, avec transformateur intégré, utilisant des régulateurs de dernière génération LT3045/LT3094 (voir photo ci-dessus) :

AliExpress

AudioPhonics

Le transformateur de cette alimentation est un 2x10V 8VA. Elle ne pourra pas fournir 500mA comme indiqué car 2x12V * 0.5A = 12W ! Mais que l'on se rassure, même avec 250mA disponibles, elle devrait convenir à la majeure partie des applications.

2.4. Alimentations discrètes

Certains aventuriers préféreront un régulateur Jung ou Sulzer :

https://diyaudiostore.com/products/super-regulator 

Quelques liens sont fournis en fin d'article.

3. La solution full-DIY

La solution proposée permet de réunir sur une même carte les composants de redressement filtrage, deux pré-régulateurs et un module de régulation.

Pour ma part j'ai décidé d'essayer les circuits récents à très faible bruit, les LT3045/LT3094 (500mA, bruit 0.8µV) :

Ce module de régulation LT3045/LT3094 provient d'AliExpress (environ 22€ la carte 2 voies). Des versions 2x9V, 2x12V ou 2x15V existent. Les connecteurs d'entrée / sortie sont des JST XH. Deux câbles sont livrés.

Certains modules à base de LT3081/LT3091 ont les mêmes dimensions : 50mm  x30mm. On pourra donc choisir l'un ou l'autre.

On pourra également utiliser un module LT1963/LT3015 : 50mm x 50mm. L'alimentation sera simplement plus haute.

Le schéma a été réalisé à l'aide de KICAD. Pour récupérer le projet voir plus bas :  paragraphe 8. Téléchargements.

3.1. Notions de base

Nous allons commencer par expliquer quelques notions indispensables :

  • la tension maximale en entrée d'un régulateur
  • la tension de drop-out 

3.1.1. Tension maximale en entrée

La tension maximale en entrée d'un régulateur est, comme son nom l'indique la tension maximale que son entrée peut supporter :

  • LM317 et LM337 : 40V
  • LT1963/LT3015 : 20V et 30V
  • LT3081/LT3091 : 36V et 38V
  • LT3045/LT3094 : 20V

Il semblerait que les régulateurs modernes comme les LT3045/LT3094 soient moins tolérants. Cela va t-il nous poser des problèmes ? jusqu'à 12V de tension de sortie, non, mais au delà, probablement. Nous allons voir cela plus loin.

3.1.2. Tension de drop-out

Cette tension est spécifique à chaque régulateur :

  • LM317 et LM337 : 3V
  • LT1963/LT3015 : 190mV et 170mV
  • LT3081/LT3091 : 1.21V et 300mV
  • LT3045 et LT3094 : 260mV

A part les LM317 et LM337 ce sont tous des régulateurs modernes LDO (Low Drop Out).

La différence de tension entre l'entrée et la sortie d'un régulateur ne peut être inférieure à cette tension de drop-out. Cela veut dire que pour produire 12V en sortie un LM317 aura besoin d'au moins 15V en entrée. Un LT3045 aura besoin d'au moins 12.26V.

3.2. Conception

L'alimentation est classique :

  • transformateur (non représenté)
  • pont de diodes 6A
  • filtrage généreux : 4x4700µF 25V
  • pré-régulateurs optionnels LM317/LM337 (si le transformateur est un modèle 2x12V ou plus)
  • module de régulation LT3045/LT3094 2x12V 500mA

Pour les curieux, cet article peut aider à comprendre le principe et surtout les calculs (une feuille de calcul EXCEL est fournie) :

Alimentations à transformateur

3.2.1. Le transformateur

Le transformateur n'est pas implanté sur la carte alimentation. Cela laisse la possibilité de choisir le modèle qui convient le mieux à ses choix personnels :

  • transformateur tôles EI moulé ou non
  • transformateur toroïdal
  • puissance

Que vaut-il mieux choisir ? Contrairement à ce que l'on croit, un transformateur toroïdal vibre souvent plus qu'un transformateur moulé. Mais tout dépend du fabricant.

Un modèle 3VA est un minimum pour 100mA maximum en sortie.

3.2.2. Le pont redresseur

Le pont de diodes peut sembler surdimensionné, mais il va avoir à supporter une pointe de courant très élevée à la mise sous tension, car les condensateurs de filtrage vont être chargés très rapidement, surtout si le transformateur est lui-même surdimensionné. Le KBK6A supporte 6A en continu, et 170A pendant 20 millisecondes. On peut éventuellement le remplacer par un modèle 2A ou 3A si le transformateur est petit : < 20VA.

3.2.3. Les pré-régulateurs

ATTENTION : les modules LT1963/LT3015 et LT3045/LT3094 supportent au maximum 20V en entrée, d'où la nécessité d'abaisser cette tension à l'aide de deux régulateurs classiques LM317 et LM337 (voir le schéma). Une valeur de 16V à 18V conviendra aussi bien à une alimentation +/-12V que +/-15V.

Avec un module LT3081/LT3091 ces pré-régulateurs sont inutiles, car ils supportent 36V et 38V.

Les pré-régulateurs LM317 et LM337 ont pour but d'abaisser la tension à l'entrée du module LT3045/LT3094, si la tension redressée / filtrée est trop élevée (> 20V). La tension de sortie est calculée comme suit :

Vo = VREF * (1 + (R1+RV1) / R3) + (IADJ * (R1+RV1))

VREF = 1.25V, et IADJ = 50µA

Vo = 1.25 * (1 + 3200 / 240) + (0.000050 * 3200) = 18.07V

Si le potentiomètre de 500Ω est au minimum :

Vo = 1.25 * (1 + 2700 / 240) + (0.000050 * 2700) = 14.07V

Sur le schéma, deux potentiomètre de réglage de tension sont présents, afin de pouvoir ajuster cette tension selon ses besoins entre 14V et 18V.

Pour une alimentation de +/-12V on pourra régler la tension de sortie des LM317 et LM337 entre 15V et 17V.

Pour une alimentation de +/-15V on devra régler la tension de sortie des LM317 et LM337 entre 16V et 18V.

Les condensateurs C9 et C10 sont absolument indispensables à la stabilité des LM317 et LM337.

3.3. Module de régulation

Comme dit plus haut, j'ai choisi un module LT3045/LT3094, mais on pourra également construire cette alimentation avec un module LT1963/LT3015 ou LT3081/LT3091.

Les seules différences sont :

  • LT1963/LT3015 : hauteur 50mm au lieu de 30mm
  • LT3081/LT3091 : supporte 36V et 38V au lieu de 20V, ce qui permet de se passer des pré-régulateurs LM317 et LM337

3.3. Alimentation +/-9V, +/-12V ou +/-15V

Si l'on désire alimenter une carte préamplificateur du commerce, il faut bien veiller à ce que la tension d'alimentation soit dans la fourchette admise par la carte. Il faudra choisir la tension d'alimentation qui convient le mieux.

Sinon, s'il s'agit d'alimenter une carte DIY, en fonction du choix de la tension d'alimentation, les condensateurs électrolytiques de découplage des AOP devront avoir une tension de service suffisante :

  • +/-9V et +/-12V : tension de service 16V
  • +/-15V : tension de service 25V

Comme on le voit une alimentation +/-15V occasionne quelques changements, mais ce n'est pas insurmontable.

3.4. Utiliser un transformateur 2x9V

Pourrait-on se contenter d'un transformateur 2x9V ?

VF étant la tension directe du pont redresseur (0.7V), ce transformateur produirait la tension redressée / filtrée suivante :

U = (9V * √2) - (2 * VF) = 11.3V

La réponse est oui, si l'on adopte des module de régulation LT3045/LT3094 +/-9V, mais pas plus. On pourra se passer des pré-régulateurs LM317/LM337.

3.5. Utiliser un transformateur 2x12V

Qu'il s'agisse d'un modèle moulé ou toroïdal, le transformateur 2x12V sera le plus facile à dénicher. Mais attention, les pré-régulateurs LM317 et LM337 présents sur le schéma seront indispensables. Nous allons voir pourquoi.

On pourrait croire qu'un transformateur 2x12V délivre 2X12V. Or la tension délivrée dépend du courant. La tension aux bornes des condensateurs de filtrage va donc dépendre de la charge, c'est à dire du courant consommé, donc du nombre de modules filtres à alimenter.

Les mesures suivantes ont été effectuées avec une tension secteur de 238V. 

Avec un transformateur moulé de 2x12V 6VA (Hahn BV EI 422 1260) :

Courant Tension transformateur Tension redressée/filtrée
0 17V 22.5V
100mA 16.5V 22V
200mA 15.5V 20.5V

Avec un transformateur moulé de 2x12V 10VA (Hahn BV EI 481 1327) :

Courant Tension transformateur Tension redressée/filtrée
0 16V 21.2V
100mA 15.5V 20.5V
200mA 15.3V 20.2V

Avec un transformateur toroïdal de 2x12V 40VA (BREVE TUFVASSONS TTS40/Z230) :

Courant Tension transformateur Tension redressée/filtrée
0 14.65V 19.3V
100mA 14.55V 19.2V
200mA 14.5V 19.1V

Comme on le constate, la chute de tension d'un transformateur 40VA est faible par rapport à celle d'un transformateur 10VA, et encore plus faible par rapport à celle d'un transformateur 6VA, ce qui est normal étant donné que les fils de cuivre des enroulements ont une section plus importante sur un 40VA.

Surdimensionner le transformateur est nécessaire, pour des raisons de marge de sécurité, mais chacun fera son choix selon ses convictions (les audiophiles aiment surdimensionner très largement). Cela a un coût :

Dans tous les cas, des condensateurs de filtrage supportant 25V sont nécessaires.

REMARQUE : Le transformateur 40VA produit une tension redressée/filtrée inférieure à 20V, y compris à vide, mais la tension secteur 230V est fluctuante. Rien ne dit qu'elle ne sera pas plus élevée de 5% de temps à autre, et cela pourrait provoquer des dégâts. Avec un transformateur 2x12V ces régulateurs supplémentaires me paraissent indispensables.

3.6. Utiliser un transformateur 2x10V

Si l'on veut se passer des pré-régulateurs LM317 et LM337 supplémentaires, il faudra adopter un transformateur délivrant une tension inférieure, 2x10V par exemple, plus difficile à trouver. J'ai trouvé ces modèles 6VA, 10VA et 16VA :

BREVE TUFVASSONS TEZ6/D230/10.5-10.5V : 4.10€

BREVE TUFVASSONS TEZ10/D230/10.5-10.5V : 5.20€

BREVE TUFVASSONS TEZ16/D230/10.5-10.5V : 6.70€

Ce sont des modèles moulés pour PCB.

3.7. Utiliser un transformateur 2x15V

Si l'on dispose d'un transformateur 2x15V, on peut l'utiliser sous certaines conditions :

La tension redressée / filtrée risque d'avoisiner 23 à 25V, ou plus, en fonction de la puissance et de la tension réelle du transformateur, et du courant.

J'ai pu tester un modèle 2x15V 30VA (Hahn BV UI 396 0103) :

Courant Tension transformateur Tension redressée/filtrée
0 17.6V 23.5V
100mA 17.5V 23.35V
200mA 17.4V     23.2V

Même avec une valeur de 23.5V, la marge de sécurité d'un condensateur supportant 25V est trop faible (environ 5%). Il faudra adopter des condensateurs de filtrage supportant 35V, surtout si le transformateur a une puissance faible, car sa tension à vide sera certainement supérieure à 25V.

La carte alimentation peut accueillir des condensateurs de filtrage Ø16mm, entraxe 7.5mm. Beaucoup de modèles du commerce conviennent :

  • 4700µF/25V
  • 3300µF/35V

Passer de 4700µF à 3300µF ou même 2200µF ne posera pas de problème car le filtrage a été généreusement surdimensionné, et comme la tension redressée / filtrée est supérieure, l'ondulation admise peut elle aussi être supérieure.

Les pré-régulateurs LM317 et LM337 sont bien entendu obligatoires, et leur tension de sortie devra être réglés entre 16V et 18V.

3.8. Le choix

Tout d'abord, ATTENTION : le module LT3045/LT3094 peut débiter 500mA au maximum. Il faut avoir une connaissance précise du courant consommé par le montage à alimenter.

Si par exemple celui-ci est de 100mA, sous 2x12V la puissance sera de 2.5W. Si l'on choisit un transformateur de 3VA, tout ira bien. Mais par contre il ne faudra pas tester par mégarde l'alimentation avec une charge de 200mA, car le transformateur grillera, à moins de placer des fusibles bien calibrés entre le celui-ci et la carte alimentation (on trouve des modèles 100mA sans problème).

Pour mes tests j'ai choisi un transformateur de 2x12V 10VA, mais je n'ai pas testé au delà de 250mA (2 résistances de 50Ω 5W), ce qui donne environ 6W, et laisse une marge importante.

Si l'on veut assurer un fonctionnement dans tous les cas, jusqu'à 500mA, on adoptera plutôt un transformateur de 15VA minimum, qui sera capable de résister à toutes les situations de test.

On a vu au paragraphe 3.5. que plus le transformateur est surdimensionné, à courant égal, plus sa tension de sortie est faible, et plus la différence de tension entre l'entrée et la sortie des LM317 et LM337 est faible. En dessous de 3V de différence, leur tension de sortie va chuter.

On a vu également au paragraphe 3.6 qu'avec un transformateur de 2x10V les LM317 et LM337 étaient inutiles. Dans ce cas les 3 paragraphes suivants peuvent être ignorés.

3.7.1. Alimentation de +/-12V ou +/-15V 200mA

La puissance du transformateur devra être de 6VA minimum (avec 50% de marge de sécurité).

Si le transformateur est un modèle 2x12V de faible puissance (6VA par exemple), la tension redressée / filtrée sera de 22V pour 100mA. Si l'on choisit une tension de sortie de 17V pour les LM317 et LM337 la différence de tension entre leur entrée et leur sortie sera de 5V, ce qui est bien au dessus des 3V requis, et donc très confortable.

La tension redressée / filtrée sera de 20V pour 200mA. La différence de tension entre l'entrée et la sortie des LM317 et LM337 sera de 3V, ce qui est un peu juste, mais il faut avoir à l'esprit que 200mA représentent pas loin de 25 AOP à alimenter, ce qui est énorme !

3.7.2. Alimentation de +/-12V 400mA

La puissance du transformateur devra être de 12VA minimum (avec 50% de marge de sécurité).

Si le transformateur est un modèle 2x12V largement surdimensionné (40VA par exemple), la tension redressée / filtrée risque d'avoisiner plutôt 19V pour 200mA. Que va t-il se passer si l'on choisit une tension de sortie de 17V pour les LM317 et LM337 ? ils ne parviendront pas à réguler et leur tension de sortie va chuter à +/-16V (19V moins la tension de drop-out de 3V). Ce n'est pas dramatique, car avec +/-16V en entrée et +/-12V en sortie (4V de différence), le module LT3045/LT3094 n'aura aucun mal à assurer une régulation, car sa tension de drop-out est de seulement 260mV.

Si l'on est perfectionniste, on peut abaisser la tension de sortie des LM317 et LM337 à +/-15V à l'aide des potentiomètre), pour qu'ils puissent assurer leur rôle de régulation. Il y aura 4V de différence entre leur entrée et leur sortie.

3.7.3. Alimentation de +/-15V 400mA

La puissance du transformateur devra être de 15VA minimum (avec 50% de marge de sécurité).

Il y a peu de chances de pouvoir réaliser une alimentation de +/-15V 400mA avec un transformateur 2x12V largement surdimensionné, car la tension redressée / filtrée sera insuffisante.

En effet, il faudrait au moins 15V + 0.260V + 3V, soit 18.26V en entrée des LM317 et LM337. On est un peu trop près de la limite pour un transformateur de 2x12V 40VA, qui produira environ 19V après redressement et filtrage. Cela laisse peu de marge.

On ne pourra pas abaisser la la tension de sortie des LM317 et LM337 à +/-15V car le module LT3045/LT3094 ne pourrait plus réguler. Cela veut clairement dire que pour une alimentation +/-15V, si l'on choisit un transformateur surdimensionné, un modèle 2x15V sera préférable, et la tension des pré-régulateurs LM317 et LM337 pourra être réglée sur 17V ou même 18V sans problème.

3.8. Considérations thermiques

Le module LT3045/LT3094 est équipé d'un gros dissipateur. Avec une tension de sortie de +/-12V, s'il est alimenté sous +/-17V en entrée, pour 500mA en sortie, la dissipation sera de :

P = U * I = (2*17V - 2*12V) * 0.5A = 5W

Cette puissance est assez élevée. La température risque de monter à plus de 50° (voir plus loin : 4.3.3. Mesure de la température). Si l'on veut diminuer la température, on peut abaisser la tension à +/-15V en entrée.

Pour 250mA j'ai mesuré 40°, ce qui est très raisonnable.

Les LM317 et LM337 dissiperont une puissance également dépendante de la différence de tension entre leur entrée et leur sortie, et du courant :

  • P = (Vout - Vin) * I
  • Vin=21V et Vout=17V pour 100mA : 0.4W
  • Vin=21V et Vout=15V pour 100mA : 0.6W 
  • Vin=21V et Vout=17V pour 250mA : 1W
  • Vin=21V et Vout=15V pour 250mA : 1.5W
  • Vin=21V et Vout=17V pour 500mA : 2W

Il serait plus raisonnable de les équiper de dissipateurs si la dissipation est supérieure à 1W.

Pour un courant maximal de 100mA ou 250mA, on pourra s'en passer (j'ai mesuré 40° pour 110mA, et 50°C pour 250mA).

Il faut bien comprendre que plus la tension de sortie des LM317 et LM337 sera élevée, moins il dissiperont de calories, par contre le module LT3045/LT3094 en dissipera plus.

3.9. Protection

Pour en terminer avec cette alimentation, une varistance 275V est installée en parallèle sur le primaire du transformateur, ainsi qu'une embase IEC, un  interrupteur ON/OFF et un porte fusible :

En cas de surtension importante sur le réseau 230V (cela m'est déjà arrivé, ce n'est pas de la paranoïa), la varistance conduit, et le fusible fond. Les composants, transformateur compris, sont ainsi protégés.

4. Réalisation

4.1. Le transformateur

Il y a un seul point sur lequel il faut être vigilant : le sens de branchement des enroulements du transformateur. Les enroulements doivent être branchés en série dans le même sens, sinon, la tension de sortie sera nulle.

S'il s'agit d'un transformateur moulé, c'est facile. Voici le brochage des modèles BREVE TUFVASSONS TEZ6, TEZ10 et TEZ16 :

Pour créer le point milieu, il suffira de relier les broches 6 et 7, 8 et 11, ou 9 et 13 en fonction du modèle. Tous les transformateurs moulés, quelque soit le fabricant, se câblent ainsi.

S'il s'agit d'un transformateur toroïdal, c'est un peu plus complexe. Il y a deux groupes de fils :

  • le primaire : 2 fils fins
  • les secondaires : 4 fils de plus forte section

Sur cette image, on voit 6 fils de couleurs différentes, mais très souvent, les couleurs sont indiquées sur l'étiquette, comme ici.

On voit également que les fils sortent du transformateur dans l'ordre des enroulements. Dans ce cas précis le point milieu sera réalisé en reliant rouge et orange.

Il peut y avoir 2 paires de fils de 2 couleurs différentes. Dans ce cas, pas de doute, chaque couleur appartient à un enroulement. Chaque début d'enroulement est marqué, soit par un morceau de gaine, soit à l'aide d'encre.

Que faire en cas de doute ?

On peut utiliser un ohmmètre pour déterminer à quel enroulement appartient chaque fil. L'ohmmètre doit indiquer une valeur faible si les deux fils appartiennent au même enroulement, et une valeur infinie si les deux fils appartiennent à deux enroulements différents. Le primaire a toujours une résistance bien supérieure aux secondaires. Prendre des notes.

Il faut ensuite relier la fin du primaire N°1 avec le début du primaire N°2, ce qui revient à brancher les deux secondaires en série. Après branchement du primaire sur le secteur, deux cas peuvent se présenter :

  • si la tension totale est nulle ou faible, c'est que l'un des enroulements est branché à l'envers
  • si la tension est le double de celle de chaque secondaire, c'est que les enroulements sont branchés dans le même sens

ATTENTION : ne jamais relier ensemble les deux fils d'un même enroulement, cela ferait boum ! Si l'on est pas trop à l'aise avec ces notions, il vaut mieux placer un fusible en série avec le primaire, comme sur le schéma ci-dessus.

4.2. Les connecteurs

Le connecteur de sortie de la carte (JST VH), ainsi que le connecteur d'entrée, sont des JST VH, ou NSK396, au pas de 3.96mm.

On peut se les procurer chez TME ou GOTRONIC.

Il faudra bien entendu se procurer aussi les boîtiers femelles et les contacts correspondants :

Boîtiers et contacts JST

Boîtiers et contacts NSK396

Une pince à sertir est théoriquement nécessaire.

On peut également utiliser des borniers à vis :

Bornier au pas de 3.81mm

Si les connecteurs ne semblent pas indispensables, on peut bien entendu souder les fils d'entrée et sortie directement à travers les trous de la carte.

4.3. Le PCB

On soudera tous les composants de la carte, sauf le module LT3045/LT3094, en commençant par les moins épais. Il est toujours plus facile de souder les composants les moins hauts en premier.

Le module LT3045/LT3094 sera soudé après que l'on ait bien testé la carte, afin de ne prendre aucun risque.

On peut ensuite raccorder le transformateur en entrée, côté pont de diodes.

4.3. Le test

4.3.1. Mesure des tensions

Après avoir branché le transformateur au secteur, à l'aide d'un multimètre, nous allons tester la carte, après l'avoir retournée.

Tout d'abord vérifier la tension aux bornes des condensateurs de 4700µF :

  • transformateur de 2x9V : environ 11V
  • transformateur de 2x12V : environ 20V
  • transformateur de 2x15V : environ 25V

Sur ma carte, avec un transformateur de 2x12V 10VA, je mesure +/-21V.

Mesurer les tensions entre masse et bornes + et - des pastilles du connecteur d'entrée du module LT3045/LT3094. Les tensions doivent être proches de celles prévues. On peut les ajuster à l'aide des potentiomètres si les LM317 et LM337 sont présents :

  • transformateur de 2x9V : environ 11V (sans LM317 et LM337)
  • transformateur de 2x12V : entre 15V et 17V
  • transformateur de 2x15V : environ 17V
Sur ma carte, sur laquelle les LM317 et LM337 sont présents,  je les ai réglés sur +/-17V.

En aucun cas les tensions mesurées ne doivent être supérieures à 20V. Si c'est le cas, il faut rechercher l'explication :

  • tension du transformateur trop élevée
  • mauvaise valeur des résistances sur les LM317 et LM337
  • mauvaise soudure
  • etc.

4.3.2. Mesure de la tension de sortie

Le module LT3045/LT3094 ne possède pas de trous de fixation. Je l'ai collé sur le PCB. Souder les fils après les avoir raccourcis.

Attention au sens de branchement du module :

  • VIN+ : fil rouge, entrée positive
  • VIN- : fil blanc, entrée négative
  • VDD : fil jaune, sortie positive
  • VEE : fil vert, sortie négative
  • GND : fils noirs, masses

Si nécessaire, les photos ci-dessous peuvent aider à repérer les branchements des fils. Les couleurs seront peut-être différentes en fonction de l'origine du module.

Après branchement au secteur, la LED rouge du module s'allume. Les tensions à la sortie doivent être de +/-9V, +/-12V, ou +/-15V suivant le module que l'on a choisi.

Pour ma part je mesure +11.99V et -11.94V.

Après une quinzaine de minutes de chauffe avec une charge de 250mA, les valeurs sont identiques. Le moins que l'on puisse dire est que la régulation en charge de ces modules LT3045/LT3094 est excellente.

4.3.3. Mesure de la température

Dans cette configuration :

  • transformateur 2x12V 10VA
  • LM317 + LM337 présents réglés sur +/-17V

Avec un courant débité de 110mA ou 250mA, après une quinzaine de minutes de fonctionnement les températures mesurées au thermomètre à infrarouge sont les suivantes (température ambiante : 22°C) :

Courant Module LT3045/LT3094 LM317 et LM337
110mA 35°C     40°C
250mA 40°C 50°C

Dans cette configuration les LM317 et LM337 dissipent 330mW pour 110mA et 750mW pour 250mA, ce qui est supportable sans dissipateur.

Si l'on envisage d'utiliser cette alimentation à son maximum de 500mA, les LM317 et LM337 dissiperont environ 1.5W chacun. Il conviendrait de les équiper de petits dissipateurs individuels : 

Dissipateur Longueur 19mm, largeur 13mm, épaisseur 10mm

Il est hors de question d'utiliser un seul dissipateur pour les deux régulateurs, car leur languette est reliée soit à leur entrée (LM337) soit à leur sortie (LM317). Cela produirait un joli court-circuit. Il est nécessaire d'intercaler des plaquettes mica, et d'utiliser des canons isolants :

Exemples :

Chez TME

Chez GOTRONIC

Pour des besoins supérieurs en dissipation, la carte peut accepter des dissipateurs d'une dimension de 20mm de large, 10mm d'épaisseur, et 30mm de hauteur. 

Le module LT3045/LT3094 possède déjà le sien, généreusement dimensionné.

Il va sans dire que l'alimentation ne devra pas être placée dans un boîtier totalement fermé, car la dissipation totale pour 250mA est tout de même de 5W au total. Quelques fentes d'aération sont indispensables.

4.3.4. Et le bruit ?

Je ne possède pas de matériel de mesure capable de mesurer un bruit de l'ordre du µV. Je fais donc confiance à Analog Devices, le fabricant des régulateurs.

5. Photos

Voici la photo de la carte dans sa version sans LM317/LM337, prévue pour un transformateur 2x9V ou 2x10V, ou un module LT3081/LT3091 :

Devant le pont de diodes : le connecteur d'entrée JST VH sur lequel on branchera les secondaires du transformateur.

Au milieu de la carte on voit deux straps qui relient les broches 2 et 3 des LM317 et LM337 absents. R1 à R4, ainsi que C9 et C10 sont également absents :

Et voici la photo de la carte dans sa version complète avec LM317/LM337, prévue pour un transformateur 2x12V ou 2x15V. Il s'agit d'une version prototype, sans potentiomètres de réglage :

En bas à gauche, le connecteur de sortie de l'alimentation. Le dissipateur est collé sur le PCB.

Détail : connecteur d'entrée du module régulateur

Détail : connecteur de sortie du module régulateur


6. Mini-modules

Les régulateurs LT3045 et LT3094 sont des circuits en boîtier MSOP 12 broches, au pas de 0.65mm. Il serait assez difficile pour un amateur de fabriquer un module à partir des chips. De plus leur prix est très élevé : 10€ pièce.

La carte que j'ai utilisé est donc relativement bon marché (22€) le module complet avec dissipateur. On peut cependant lui reprocher sa taille.

Pour des applications nécessitant une puissance faible dans un encombrement réduit, il existe une solution, les mini-modules 3 broches :

Mini-modules LT3045 / LT3094

On peut les trouver par exemple ici :

AliExpress

Leur prix est élevé, une quinzaine d'euros pièce.

Le LT3045 et le LT3094 ont une résistance thermique de 35°C/W pour une surface de PCB de 100mm². Si on s'autorise une température de 50°C maximum, la dissipation maximale sera d'environ 0.5W pour une température ambiante de 35°C.

On pourrait imaginer le même montage que le précédent, avec les deux pré-régulateurs LM317 et LM337 réglés pour limiter la dissipation des LT3045 / LT3094 (tension de sortie de l'alimentation + 2V).

Quelques calculs rapides permettent d'imaginer les montages suivants :

Alimentation Transformateur
 Filtrage
 Réglage LM317 / LM337
+/-12V 120mA
 2x12V 10VA
 1000µF +/-14V
+/-15V 120mA 2x15V 10VA 1000µF +/-17V

Les dimensions de la carte seraient nettement réduites. Les LM317 et LM337 n'auraient besoin d'aucun dissipateur.

Pour les inconditionnels de l'ésotérisme on trouve aussi des modules HYPEX :

https://www.diyclassd.com/product/hnr12/153

https://www.diyclassd.com/product/hpr12/49 

7. Les coûts

Les coût de la réalisation sont les suivants :

  • transformateur 10VA Hahn BV EI 481 1327 : 8.50€
  • redresseur KBK6A : 0.80€
  • 4 x 4700µF 35V : 2.50€
  • LM317 + LM337 : 0.40€
  • 2 x potentiomètre 3296 : 0.20€
  • module régulateur LT3045/LT3094 : 22€
  • 2 x borniers : 0.20€
  • PCB : 1€

Le total est d'environ 35€. C'est un prix indicatif. Tout dépendra du choix du transformateur.

8. Téléchargements

Pour télécharger le projet :

https://bitbucket.org/henri_bachetti/power-supply-2x12v

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

9. Sécurité

Il faut être prudent lorsque l'on manipule un montage alimenté par le secteur, et toute intervention doit être faite cordon secteur débranché.

10. Lien utiles (super-régulateurs Jung)

https://www.tangentsoft.net/elec/opamp-linreg.html

https://diyaudiostore.com/products/super-regulator

https://linearaudio.nl/sites/linearaudio.net/files/superreg%20V2.3.pdf 

A comparative overview of power supply regulator designs with listening tests :

https://linearaudio.nl/sites/linearaudio.net/files/v4%20jdw.pdf

The Superregs :

https://linearaudio.nl/superregs 

11. Conclusion

Comme on le voit, concevoir une alimentation symétrique de ce type n'est pas si évident. Cela nécessite pas mal de calculs et de précautions.

Cette alimentation est destinée à un filtre actif audio 3 voies + voie grave. Un article sera consacré prochainement à ce projet.


Cordialement

Henri

12. Mises à jour

20/09/2021 : 4. Réalisation
22/09/2021 : 3.8. Considérations thermiques
                     8. Sécurité
23/09/2021 : ajout des potentiomètres de réglage des LM317/LM337
29/09/2021 : 6. Mini-modules


à
Libellés : , ,

2 commentaires:

Inscription à : Publier les commentaires (Atom)