Audio : Alimentation Symétrique à Faible Coût

 

Audio : Alimentation Symétrique à Faible Coût

 

Après mon dernier article, il m'a semblé intéressant d'expliquer en détail une ancienne réalisation : une alimentation symétrique réglable de 9V à 18V, réalisée en grande partie à l'aide de composants de récupération.

Les régulateurs utilisés, des LM317 et LM337 ne sont pas des régulateurs de dernière génération, mais ils permettront tout de même d'atteindre un niveau de performances tout à fait honorable en audio.

1. Présentation

Cette alimentation m'avait coûté environ 2€ (avec un transformateur de récupération). Le composant le plus cher est la carte (le PCB).

Les pièces proviennent de différentes sources :

•  vieille alimentation de PC 
• pont redresseur
• petits condensateurs électrolytiques
• varistance
• interrupteur
• fils de câblage
  
• ancien amplificateur
• transformateur
• condensateurs électrolytiques de filtrage
  
• ancien stock de composants
• diodes 
• LEDs

Seuls les pièces suivantes sont neuves (prix à la pièce sur AliExpress) :

• régulateurs : 0.20€
• potentiomètres : 0.10€
• résistances : 0.01€
  
• borniers : 0.10€
• PCB 75x100mm : 1€
  

1.1. Une alimentation du commerce

L'alimentation proposée dans cet article est assez proche de celle-ci (voir photo ci dessus) :

AliExpress (environ 40€ dans sa version 25W port compris)

Si l'on voulait fabriquer cette alimentation à l'aide de composants achetés sur AliExpress, les coûts seraient les suivants :

• transformateur moulé toroïdal 25VA 2x15V : 20€
• pont redresseur 3A : 0.10€
• 2 x 3300µF 35V : 1.00€
• 2 x 470µF 35V : 0.40€
• 2 x 47µF 35V : 0.10€
• 4 x 100nF :  0.20€
  
• LM317 + LM337 : 0.40€
• 2 x potentiomètre 3296 : 0.20€
  
• 2 x dissipateur : 0.50€
• 2 x borniers : 0.20€
  
• PCB : 1€

Le total est d'environ 25€, contre 40€ pour le module tout monté.

Mais il faut tenir compte d'autres facteurs :

• il peut y avoir des frais de port plus ou moins importants
• les composants sont rarement vendus à l'unité. Les pièces en excédent ne seront probablement pas utilisées, sauf si l'on est un bricoleur chevronné.
• tout un chacun n'est pas forcément équipé pour fabriquer un PCB. Le faire fabriquer par JLCPCB coûtera environ 8€ les 5 pièces, port compris.
  

A chacun d'apprécier si les 15€ d'écart justifient une réalisation maison.

1.2. Modules du commerce

Lorsque l'on examine la conception de certains modules du commerce, on constate bien souvent que les dissipateurs utilisés sont totalement insuffisants, en tous cas, ils ne sont pas adaptés à tous les cas d'utilisation :

Ce module a des dissipateurs tellement petits qu'il est très difficilement imaginable d'en tirer ce que le vendeur annonce : courant de sortie garanti 1,5A !

En considérant qu'un LM317 a une tension minimale de drop-out de 3V la dissipation minimale à 1.5A sera de 3V * 1.5A = 4.5W !

Avec des dissipateurs de cette taille, c'est carrément impossible ! 

D'autres annonceurs qui vendent des cartes analogues sont un peu plus honnêtes (traduire "pression" par "tension") :

courant de fonctionnement continu Maximum <700mA (la différence de pression ne dépasse pas 10V), lorsque la différence de pression dépasse 10V, veuillez vous assurer que le courant de sortie est <500mA.

Mais même avec 10V de différence de tension entre entrée et sortie d'un LM317, avec 700mA la puissance dissipée sera de 7W ! Un dissipateur de cette taille (équivalent à un StoneCold 23x16x40mm) a une résistance thermique d'au moins 16°C/W, à laquelle il faut ajouter celle du LM317 (4.2°C/W), donc un total de 20°C/W. Avec 7W sa température augmentera de 140°. Or un LM317 supporte 125°C au maximum !

Je dirais que ces modules pourraient équiper un appareil consommant 200mA, mais pas plus. Attention donc aux modules du commerce. Je ne veux pas jeter la pierre aux vendeurs AliExpress, mais ce sont des vendeurs, qui vendraient aussi bien des téléviseurs, des patates ou des carottes.

1.3. Fabrication maison ou achat

Cela vaut la peine de se lancer dans la fabrication d'une alimentation analogue si l'on dispose des composants principaux, en particulier le transformateur (un 40VA coûte plus de 15€).

D'autres raisons peuvent justifier une réalisation maison, en particulier si l'on a des contraintes dimensionnelles ou de fixation mécanique.

Cet article peut également être une aide au choix d'un module du commerce, ou à l'étude d'une alimentation personnalisée :

• capacités de filtrage
  
• taille des dissipateurs
  
• choix du transformateur

Dans les paragraphes qui suivent, nous allons faire beaucoup de calculs. Ceux-ci sont assez accessibles, même pour les non spécialistes.

Il faut bien comprendre qu'une alimentation bâtie à l'aide de composants de récupération ne sera pas idéale. Il faudra faire des compromis, soit sur la tension disponible, soit sur le courant, à moins de disposer d'un gros transformateur, et d'un gros dissipateur.

Voici une fourchette de transformateurs utilisables :

• 2x15V ou 2x18V
• pour 250mA : 20VA
  
• pour 1.5A : 70VA

1.4. Recyclage

Le recyclage de composants est difficile. En général les cartes électroniques (60.000 tonnes par an en France) sont broyées et les différents métaux sont récupérés (cuivre, or, aluminium, etc.). La réutilisation directe des composants reste la meilleure méthode de recyclage.

2. Le schéma

Celui-ci est extrêmement classique, à base de LM317 et LM337. Il est réalisé à l'aide de KICAD (voir plus bas : 6. Téléchargements) :

Le filtrage est conséquent : 2x4700µF, mais cette valeur dépendra du transformateur utilisé.

2.1. Les calculs

Dans les paragraphes suivants j'utilise des petits noms. Ils sont faciles à retenir :

• Uac : tension alternative au secondaire du transformateur
  
• Upeek : tension crête du transformateur
  
• Udc : tension continue redressée / filtrée
• Uout : tension de sortie de l'alimentation, après régulation
  
• Vf : chute de tension du redresseur
• Rth :  résistance thermique du dissipateur
  
• Tmax : température maximale du régulateur
• Tamb : température ambiante (35°C au maxi)
• Rthreg :  résistance thermique jonction/boîtier du régulateur (4.2°C/W pour le LM317)
  

La tension Upeek est égale à Uac multipliée par racine de 2 :

Upeek = Uac * √2

La tension Udc est égale à Upeek moins 2 fois la chute de tension de chaque diode du redresseur :

Udc = Upeek - (2 * Vf)

C'est la base de calcul d'une alimentation redressée / filtrée.

Ensuite si l'on ajoute un régulateur, la tension de sortie de celui-ci ne pourra pas être supérieure à Udc moins sa tension de drop-out. Dans le cas des LM317 / LM337 cette tension de drop-out est de 3V.

2.2. Le transformateur

Le transformateur (non représenté sur le schéma) est de préférence un modèle 2x15V ou 2x18V, de 20VA à 40VA, ou plus.

Même un 2x24V peut convenir, si les condensateurs de filtrage sont des modèles supportant 40V. Par contre, comme on le verra plus bas, la dissipation des régulateurs sera très importante.

Si les condensateurs de filtrage sont des modèles supportant 25V, on devra se contenter d'un transformateur 2x12V.

Dans tous les cas, la puissance du transformateur devra être supérieure de 20% aux besoins réels. Mais on ne calcule pas la puissance de celui-ci en s'appuyant uniquement sur la puissance de sortie de l'alimentation, car il y a des pertes.

Il faut tenir compte avant tout de la tension redressée :

Upeek = Uac * √2

Pour un transformateur de 2x15V :

Upeek = 15V * √2 = 21.2V

Si l'alimentation doit débiter 1A, la puissance totale sera de :

P = Upeek * 2 * 1A = 21.2V * 2 * 1A = 42.4W

Si la tension de sortie de l'alimentation est de +/-15V, la puissance de sortie est de :

P = 15V * 2 * 1A = 30W

La différence entre les 30W en sortie et les 42.4W fournis par le transformateur sera dissipée, sous forme de calories, par le redresseur et le régulateur.

Si l'on fait le calcul à l'envers, et que l'on dispose d'un transformateur de 2x15V 36VA, la courant maximal sera de :

I = P / Upeek = 36VA / 21.2V / 2 = 0.84A

Théoriquement, si l'on désire exploiter au maximum les 1.5A disponibles d'un couple de régulateurs LM317/LM337 la puissance d'un transformateur de 2x15V devrait être de :

P = Upeek * 2 * 1.5A = 21.2V * 2 * 1.5A = 63.6W

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

2.3. Le pont redresseur

Un pont redresseur n'est pas parfait. Il provoque toujours une chute de tension appelée Vf, et comme 2 diodes conduisent simultanément :

Udc = (Uac * √2) - (2 * Vf) = Upeek - (2 * Vf)

Le redresseur choisi est un PBL405 4A 600V provenant d'une ancienne alimentation de PC obsolète. Ces redresseurs sont très courants.

2.4. Les condensateurs électrolytiques

2.4.1. Le test

S'ils sont anciens, il convient d'inspecter et de tester les condensateurs. Il ne doivent présenter aucun signe de coulure d'électrolyte ou de déformation (le dessus ne doit pas être bombé).

La plupart des multimètres du marché possèdent une fonction capacimètre.

Les miens ont été testés à l'aide d'un petit appareil très bon marché :

J'en ai déjà parlé ici :

Testeur de composants : le GM328

Ce testeur, en plus de la capacité, affiche la résistance série (ESR) des condensateurs. Cela m'a permis de constater que les vieux électrolytiques n'ont pas à rougir des performances de leurs homologues plus récents :

• Nichicon (récent) 4700µF 35V : ESR=0.08Ω
• CEF (1980) 4700µF 40V : ESR=0.05Ω

Par contre leur volume est important : Ø25mm x 50mm, contre Ø18mm x 35mm pour le Nichicon.

Les anciens condensateurs n'ayant pas été utilisés depuis longtemps sont-ils au mieux de leur forme ?

Non, leur diélectrique se dégrade dans le temps, mais le condensateur électrolytique présente la singulière propriété de réparer son diélectrique tout au long de sa vie. Il suffira donc de les remettre en service et de les laisser sous tension durant un certain temps pour qu'ils retrouvent leur pleine forme.

2.4.2. L'ondulation

On a vu au paragraphe 1.1 que la tension de sortie d'un régulateur ne pouvait pas être supérieure à Udc moins sa tension de drop-out. Dans le cas des LM317 / LM337 cette tension de drop-out est de 3V.

Il va faloir ajouter l'ondulation, car la tension redressée / filtrée n'est pas parfaite :

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).

En reprenant notre exemple précédent :

Upeek = 21.2V
Udc = 21.2V - (2 * Vf) = 19.8V
Uout = 15V

La tension redressée / filtrée Udc ne pourra être inférieure à Uout + 3V.

Donc l'ondulation crête ne pourra excéder :

Vo = Udc - (Uout + 3V) = 1.8V

La capacité du condensateur sera de :

C = 1A / (1.8V * 50Hz * 2) * 1000000 = 5555µF

C'est une valeur assez conséquante, à laquelle il faut ajouter une marge de sécurité. Un 6800µF pourrait convenir.

Si l'on avait utilisé un transformateur de 2x18V l'ondulation admise serait bien supérieure, et le condensateur plus petit.

On aurait pu également utiliser un régulateur ayant une tension de drop-out inférieure. Certains, appelés LDO (Low Drop Out), ont une tension de drop-out inférieure à 500mV, mais ils sont chers.

Mais le but de cette alimentation est d'offrir le maximum de service pour un prix plancher. Un LM317 vaut 20 centimes. Comme on le constate, le calcul d'alimentations est une affaire de compromis.

2.5. Les régulateurs

Les LM317 et LM337 se trouvent sur AliExpress pour environ 2€ les 10 pièces.

On les trouve également à environ 30 centimes pièce chez divers revendeurs européens, dont TME. Attention aux frais de port.

Si l'on veut modifier la plage de réglage de la tension de sortie, celle-ci se calcule ainsi (voir le schéma) :

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

Vmin = VREF * (1 + R1 / R3) + (IADJ * R1)

VREF = 1.25V, et IADJ = 50µA

2.6. Le dissipateur

Concernant le dissipateur, je n'ai pas désiré utiliser les modèles classiques :

Il en existe une telle variété qu'il serait impossible de proposer une carte universelle. J'ai préféré adopter un dissipateur unique fixé sous la carte.

Celui-ci est un modèle à ailettes provenant d'une carte récupérée en déchetterie :

Dissipateur 125x80x15mm

Il a une résistance thermique de 2.5°C/W. Il est largement surdimensionné. On pourrait se contenter de la moitié de sa longueur.

On trouve à prix assez modique des modèles intéressants :

AliExpress

Pour une puissance dissipée inférieure à 10W, on pourra facilement utiliser une simple plaque d'aluminium (voir plus bas).

2.6.1. Puissance dissipée

La puissance dissipée par un régulateur se calcule en tenant compte de la différence de tension entre l'entrée et la sortie, que l'on multiplie par le courant :

P = (Vin - Vout) * I

Pour une tension redressée / filtrée de 20V (ce qui correspond à un transformateur d'environ 15V), une tension de sortie de 15V et un courant de 1A :

P = (20V - 15V) * 1A = 5W par régulateur.

ATTENTION : plus la tension redressée / filtrée est importante, et plus la tension de sortie du régulateur est faible, plus la dissipation est importante.

Pour une tension redressée / filtrée de 32V (ce qui correspond à un transformateur de 24V), une tension de sortie de 12V et un courant de 1A, la puissance dissipée sera beaucoup plus importante :

P = (32V - 12V) * 1A = 20W par régulateur.

D'où l'intérêt d'utiliser un transformateur pas trop surdimensionné en tension. Un 2x15V ou 2x18V me paraît idéal. Avec un 2x24V il faudra faire un compromis sur le courant maximal, en le limitant à 250mA par exemple :

P = (32V - 12V) * 0.25A = 5W par régulateur.

2.6.2. Résistance thermique

Le LM317 et le LM337 supportent une température de 125°C.

On peut facilement calculer la résistance thermique minimale du dissipateur :

Rth = ((Tmax - Tamb) / P) - Rthreg

Pour une dissipation de 5W :

Rth = ((125°C - 35°C) / 5W) - 4.2°C/W = 13.8°C/W

Un dissipateur de 13.8°C est un modèle moyen. Deux exemplaires comme celui-ci conviendraient :

https://www.gotronic.fr/art-refroidisseur-ml33-6008.htm

Pour réaliser cette alimentation, une simple plaque d'aluminium de dimensions identiques à celles de la carte pourrait être utilisée. Voici une formule simplifiée pour calculer la résistance thermique d'une plaque d'aluminium :

Rth = 50 / √S

S étant la surface de la plaque en cm², pour une dimension de 125cm x 80mm :

Rth = 50 / √(12.5x8) = 5°C/W

5°C/W étant bien inférieur à 13.8°C/W, cela conviendra.

Par contre pour dissiper 20W par régulateur il faudra forcément un dissipateur beaucoup plus imposant :

Rth = ((125°C - 35°C) / 20W) - 4.2°C/W = 0.3°C/W

Le dissipateur sera énorme, C'est l'équivalent de celui que j'ai utilisé, mais en version 1 mètre de longueur. Et il en faudrait deux !

Le problème est que le LM317 a une résistance jonction / boîtier importante de 4.2°C/W. En comparaison, un régulateur plus moderne comme le LT1084 a une résistance thermique de 0.75°C/W, ce qui permet un transfert thermique bien supérieur.

2.6.3. Quel transformateur pour un dissipateur donné ?

Prenons le problème à l'envers. Nous disposons d'un dissipateur de 2.5°C/. Quelle est la tension maximale du transformateur pour une alimentation de +/-15V 1A ?

Calculons d'abord la puissance maximale :

Rth = ((Tmax - Tamb) / P) - Rthreg

Donc P = 1 / (Rth + Rthreg) / (Tmax - Tamb))

P = 1 / ((2.5°C/W + 4.2°C/W) / (125°C - 35°C)) = 13.4W

Chaque régulateur pourra donc dissiper la moitié : 6.7W

Calculons la tension redressée :

P = (Vin - Vout) * I

Donc Vin = (P / I) + Vout = (6.7W / 1A) + 15V = 21.7V

Calculons la tension du transformateur :

Udc = (Uac * √2) - (2 * Vf)

Donc Uac = ((Udc + (2 * Vf)) / √2 = (21.7V + (2 * 0.7V)) / √2 = 16.3V

Calculons la puissance du transformateur :

P = (Udc + (2 * Vf)) * 2 * 1A = (21.7V + (2*0.7V)) * 2 * 1A = 46.2VA

On aura du mal à trouver un transformateur de 2x16V, mais on pourrait s'en sortir avec un 2x15V surdimensionné.

En consultant le catalogue d'un constructeur :

https://www.tme.eu/Document/412ff82a0d9ae839d6b24853d8f56596/Hahn-E.pdf

On constate qu'un transformateur de 2x15V 60VA produit une tension à vide de 2x17.5V. S'il est en sous-charge, il y a des chances que nous obtenions nos 16V, ou 16.5V.

Comme on le constate encore, le calcul d'alimentations est une affaire de compromis.

2.7. Intégration dans un boîtier

Lorsque l'on utilise une alimentation de ce type, c'est dans un but bien précis, et bien souvent celle-ci va être montée dans un boîtier pour alimenter une carte électronique, un préamplificateur, un filtre actif, etc.

Il faut veiller à choisir un boîtier approprié, pourvu de fentes d'aération, et placer l'alimentation à proximité de celles-ci, de préférence verticalement.

2.8. Protection

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

En cas de surtension importante sur le réseau 230V, la varistance conduit, et le fusible fond. Les composants, transformateur compris, sont ainsi protégés.

La varistance provient d'une vieille alimentation de PC. Elle se présente sous la forme d'un disque bleu ou jaune, souvent marqué TVR 07241 :

Ne pas confondre avec certains condensateurs polypropylène X2 qui ont le même aspect, mais qui comportent une indication X2.

3. La réalisation

3.1. L'électronique

Si l'on réalise le PCB soi-même je conseille fortement de tester la carte à l'ohmmètre avant l'implantation des composants.

La carte pourrait assez facilement être réalisée à partir d'une plaquette à pastilles 120mm x 80mm. Les rails de puissance peuvent être câblés à l'aide de fil rigide 0.5mm², le reste à l'aide de fil à wrapper.

Pour ma part j'ai réalisé le PCB moi-même. Je l'ai équipée d'un transformateur 2x18V 36VA.

Si l'on reprend les calculs nous obtenons :

Upeek = Uac * √2

Pour un transformateur de 2x18V :

Upeek = 18V * √2 = 25.5V

Si l'alimentation doit débiter 1A, la puissance totale sera de :

P = Upeek * 2 * I = 25.5V * 2 * 1A = 51W

Le courant de 1A ne pourra être atteint avec ce transformateur de 36VA. Je devrai me contenter de :

I = P / Upeek / 2 = 36VA / 25.5V / 2 = 700mA

Cela me convient amplement.

Il faudra équiper l'alimentation d'un fusible retardé de :

36W / 230V = 150mA

La tension maximale en sortie étant de 18V, les condensateurs doivent avoir une capacité minimale de :

Udc = Upeek - (2 * Vf) = 24.1V

Vond = Udc - (Uout + 3V) = 24.1V - (18V+3V) = 3.1V

C = 700mA / (3.1V * 50Hz * 2) * 1000000 = 2260µF

La valeur adoptée de 4700µF est amplement suffisante. Même avec 3300µF l'ondulation serait suffisamment faible.

Pour une alimentation capable de débiter le maximum de courant d'un LM317 (1.5A) il aurait fallu utiliser un transformateur 2x18V d'au moins 70W et des condensateurs de 4700µF, ou plutôt 6800µF.

Les deux régulateurs sont soudés sous la carte (voir la photo plus bas).

3.2. La mécanique

La languette métallique des régulateurs est reliée soit à leur entrée (LM337) soit à leur sortie (LM317). Si les deux régulateurs sont vissés sur le même dissipateur, il est nécessaire d'intercaler des plaquettes isolantes, et d'utiliser des canons isolants, sinon cela produirait un joli court-circuit :

Après montage, il est préférable de tester à l'ohmmètre que les languettes des deux régulateurs soient bien isolées du dissipateur.

Le PCB est prévu pour être percé de 2 trous de 4mm pour permettre le passage de la lame du tournevis (ci-dessous en jaune) :

Les 4 trous de 3mm aux angles de la carte permettent de la fixer au dissipateur ou au boîtier.

4. Test

Après assemblage de la carte et du dissipateur, raccorder le transformateur et le brancher au secteur.

Mesurer les tensions de sortie de l'alimentation et les ajuster à l'aide des deux potentiomètres.

Après un réglage sur +/-15V, un test en charge est réalisé avec deux résistances de 47Ω 12W. Le courant est de 320mA. La puissance débitée dans les résistances est de 2x5W.

La tension de sortie en charge varie très légèrement, de quelques dizaines de mV. La régulation en charge est donc très bonne.

La puissance dissipée par chaque régulateur est d'environ 3W. A une température ambiante de 22°C, après une heure de fonctionnement, le dissipateur étant posé verticalement, la température de celui-ci est de 35°C.

Si j'avais utilisé un transformateur de 2x15V, la température serait plus basse.

Bien entendu, si la tension de sortie est plus basse, +/-12V par exemple, La dissipation à courant égal sera plus importante. Si la tension de sortie est plus haute, +/-18V par exemple, La dissipation à courant égal sera moins importante. Le calcul de la puissance dissipée a été expliqué au paragraphe 2.6.1.

On évitera de fixer l'alimentation à plat, dissipateur en dessous, car la ventilation serait insuffisante. Dans les mêmes conditions de test la température monte à 50°C.

5. Photos

Voici quelques photos de la réalisation :

L'alimentation et son vieux transformateur de 2x18V 36VA

L'alimentation sur son dissipateur

Le dissipateur a été percé et taraudé pour pouvoir y visser 4 colonnettes, ainsi que les vis de fixation des régulateurs.

A gauche on voit le LM317, soudé sous la carte. Le matériel isolant habituel est utilisé : plaquette silicone, graisse silicone, et canon isolant. La carte est percée de 2 trous de 4mm qui permettent le passage de la lame du tournevis.

6. Téléchargements 

Pour télécharger le projet :

https://bitbucket.org/henri_bachetti/power-supply-lm317-lm337

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

7. Conclusion

C'est une alimentation qui m'a déjà rendu de nombreux services, et ceci pour un prix imbattable de +/- 2€ !

Cordialement

Henri