mardi 16 novembre 2021

Un Surpresseur DIY

 


 

Un Surpresseur DIY

 

J'avais présenté il y a quelques mois un projet de remplissage d'une cuve d'eau située en hauteur :

Contrôle de Niveau d'Eau

Cette cuve est utilisée pour de l'arrosage en basse pression (0.3 bar). Elle n'est cependant pas utilisable pour alimenter un lave-linge, la pression étant insuffisante. Pour permettre le fonctionnement de celui-ci il faut donc obligatoirement augmenter cette pression, d'où l'étude d'un nouveau projet : un surpresseur.

A l'heure actuelle beaucoup de nouvelles constructions intègrent une double alimentation en eau, une alimentation par le réseau public, et une alimentation en eau de pluie, donc possiblement non potable (sauf traitement particulier), pour certaines parties de l'habitation :

  • toilettes
  • lave-linge
  • arrosage 
  • lavage de sols, de véhicule
  • etc.

Les avantages sont évidents :

  • économies d'eau
  • absence de dépôt de calcaire dans les toilettes et le lave-linge
  • économie de lessive car l'eau douce ne diminue pas l'efficacité des détergents
  • absence de chlore et de calcaire dans l'eau d'arrosage, ce qui ne déplaira pas aux plantes

Le principe est de récolter l'eau de pluie dans un réservoir enterré ou non, et d'y puiser de l'eau en augmentant la pression à l'aide d'un surpresseur.

Tout d'abord pourquoi un surpresseur ?

Le réservoir d'eau de pluie peut être soit enterré, soit au sol. Dans les deux cas, la pression est soit inexistante, soit très faible.

On pourrait imaginer disposer d'un réservoir surélevé, ce qui est mon cas actuellement, mais la pression est directement dépendante de la hauteur de colonne d'eau : 1 bar pour 10 mètres. Si cette pression est suffisante pour de l'arrosage, un lave-linge a besoin d'une pression minimale pour pouvoir fonctionner. J'ai fait un test, avec mon réservoir situé à 3m de haut, qui s'est soldé par un échec. Une pressions de 0.3 bar ne suffit pas, la plupart des lave-linge ont besoin au minimum du double.

Il faut donc passer par un surpresseur, qui va augmenter la pression pour pouvoir alimenter correctement les appareils.

Les surpresseur de qualité sont chers, et ils ne sont pas toujours fiables ni réparables. Lorsque l'on lit les commentaires d'acheteurs sur certains sites de matériel de bricolage on constate que beaucoup ont des problèmes de durée de vie : corps de pompe cassé, ballon tampon percé, baisses de pression, pressostat en panne, etc.

Alors pourquoi ne pas se lancer dans une fabrication maison à l'aide d'éléments facilement disponibles dans le commerce ? Dans cet article, nous allons voir comment nous y prendre.

Avertissement

Il est légalement interdit d'opérer un basculement entre eau de pluie, potentiellement polluée, et eau du réseau public, y compris à l'aide d'une vanne 3 voies et de clapets anti-retour classiques. Le risque ZÉRO n'existant pas, un clapet peut rester bloqué en position semi-ouverte et l'eau de pluie peut alors contaminer le réseau public, ce qui peut coûter très cher au responsable.

A lire : Usage domestique d’eau de pluie

Remarque : la norme NF1717 impose des clapets anti-retour antipollution contrôlables (type EA).

Norme NF1717

Ne voulant pas m'engager dans cette voie risquée, je préfère donc maintenir un isolement total antre mon circuit d'eau de pluie et le réseau public.

1. Le projet

Un surpresseur est composé de différents organes :

  • une pompe
  • un ballon tampon
  • un pressostat
  • un manomètre

1.1. La pompe

La pompe est généralement un modèle de surface. On aura besoin d'un tuyau flexible d'aspiration. Attention, toutes les pompes de surface ne sont pas auto-amorçables.

Si l'eau provient d'un puits, une pompe immergée pour puits sera nécessaire.

Si l'eau provient d'un réservoir enterré ou au sol on peut très bien adopter un modèle immergé, à condition qu'elle puisse fournir une pression suffisante, au moins 2 bar (20m de hauteur de refoulement). Si elle est équipée d'un flotteur, en cas de manque d'eau dans le réservoir la pompe se coupera automatiquement.

Si la pompe n'est pas capable de fournir une pression suffisante, 1 bar par exemple, on aura beaucoup de mal à trouver un pressostat adapté..

Il faudra probablement installer un clapet anti-retour d'un diamètre adapté sur la sortie de la pompe :

Clapet anti-retour

1.1.1. Sortie sur tuyau d'arrosage

Si la pression visée est faible, aux alentours de 1 bar, c'est une solution possible.

Sur la sortie du clapet est vissé un simple adaptateur pour raccord rapide sur lequel est branché le tuyau de sortie :

Un autre adaptateur sera utilisé côté ballon. Les deux adaptateurs et les raccords rapides doivent être neufs, et de bonne qualité.

1.1.2. Sortie sur tube PER

Si l'on désire un montage aussi fiable que possible avec une pression plus classique (de l'ordre de 3 bar), le raccord rapide pour tuyau d'arrosage n'est pas forcément très recommandé, surtout sur le long terme.

On utilisera plutôt un adaptateur pour tube PER :

Adaptateur pour tube PER Ø16mm

1.2. Le ballon tampon

Le ballon tampon comporte une membrane souple qui permet de stocker quelques dizaines de litres d'eau sous pression, ce qui permet d'espacer les temps de fonctionnement de la pompe. Sans ce ballon, la pompe se mettrait en route et se couperait très souvent. Le ballon réduit donc le nombre de démarrages de la pompe, et permet d'augmenter la durée de vie de celle-ci.

Le ballon tampon est équipé d'une valve qui permet son pré-gonflage, à l'aide d'une simple pompe de vélo. Il y a donc de l'air sous pression côté valve, et de l'eau côté raccord. Lorsque l'on consomme de l'eau la pression de celle-ci diminue, et l'air sous pression pousse la membrane pour compenser. Le ballon doit donc être gonflé à une pression bien inférieure à la pression d'eau désirée, environ la moitié, sinon la pression de l'eau ne parviendra pas à pousser la membrane.

Un vase d'expansion sanitaire (blanc) serait le plus approprié, car celui-ci est souvent construit en inox, mais comme j'ai prévu un système de filtrage efficace en aval, un modèle prévu pour une chaudière conviendra.

J'ai récupéré un vase d'expansion provenant de mon ancien système de chauffage central au fuel :

Sa contenance est de 18 litres. En général ces ballons peuvent supporter une pression de 3 bar.

Il est équipé d'un raccord mâle 3/4 (20/27).

Il va sans dire que plus le ballon est imposant, plus la réserve d'eau est importante. La pompe fonctionnera moins souvent, mais plus longtemps.

On peut fixer le ballon au mur à l'aide d'une potence, ou fabriquer un support à poser au sol. 

1.3. Le pressostat

Le pressostat enclenche la pompe lorsque la pression chute en dessous d'une certaine valeur, et la coupe lorsque la pression atteint la valeur préréglée, en général 2 à 3 bar.

Les pressostats du commerce sont réglables ou non. Si par exemple on choisit un pressostat ayant une pression de déclenchement fixe de 1.5 bar, il faudra impérativement que la pompe puisse fournir au moins cette pression. Si le pressostat est réglable, on pourra adapter sa pression de fonctionnement à pratiquement n'importe quel type de pompe fournissant au moins 1 bar.

Pour un pressostat on parle de pression d'enclenchement pour définir la pression en dessous de laquelle il mettra en route la pompe, et de pression de déclenchement pour définir la pression au dessus de laquelle il coupera la pompe.

1.3.1. Pressostat mécanique

On peut adopter un modèle du commerce :

Pressostat TELEMECANIQUE XMP 6

Cet appareil dispose d'un raccord femelle 15x21, mais il possède également un raccord pour un manomètre 8/13.

Sa pression de fonctionnement est réglable :

  • pression d'enclenchement : 0,3 à 5.2 bar
  • pression de déclenchement : 0.9 à 6 bar

Documentation technique 

Un manomètre coûte environ 10€ :


Il vaut mieux choisir un manomètre supportant une pression maximale assez faible. Pour mesurer 1 bar, un manomètre 4 bar suffit amplement.

On trouve également des pressostats avec manomètre intégré :

Pressostat SKD-2D

Cet appareil dispose de deux raccords mâles 26/34 (une entrée et une sortie), ce qui simplifie le montage.

Sa pression de fonctionnement est de 1.5 bar.

1.3.2. Pressostat électronique

Les modèles électroniques disposent d'un afficheur et de touches de réglage :

Pressostat Flotec Digipress

Cet appareil dispose d'un seul raccord femelle 8/13. Sa pression de fonctionnement est réglable :

  • pression d'enclenchement : 0,5 à 7 bar
  • pression de déclenchement : 1 à 8 bar

Documentation technique

1.4. Le filtrage

Si l'utilisation concerne les toilettes, l'arrosage et le lavage de sols et véhicules, un filtre double suffit :

  • cartouche lavable 50 ou 60µm
  • cartouche de filtrage sédiments 20µm

Si l'eau doit être utilisée également pour alimenter un lave-linge, un filtre supplémentaire à charbon actif sera nécessaire. On trouve des filtres monoblocs à 2 ou 3 bols :

NatureWater NW-BR10B4

Cette eau sera malgré tout impropre à la consommation humaine. Si l'on veut la rendre potable, pour une douche par exemple, il faudra ajouter un stérilisateur à UV. Le prix est assez conséquent.

ATTENTION : filtrer de l'eau de pluie de manière à ce qu'elle soit potable ne signifie pas qu'elle soit bonne à boire. En effet, elle ne comporte pas les minéraux nécessaires et indispensables à la santé humaine. Par contre cette eau sera parfaite pour les usages courants : douche, lave-linge, toilettes, arrosage.

1.5. Raccordements

L'étanchéité des raccords doit être parfaite, sous peine de voir la pompe se mettre en route de temps en temps pour compenser les fuites. Pour les raccords à visser, les précautions habituelles doivent être prises : filasse + pâte à joint ou ruban téflon, ou joint fibre ou caoutchouc lorsque cela est possible.

Pour le raccordement des différents organes il nous faudra un raccord multivoies :

  • pompe
  • ballon tampon
  • pressostat
  • manomètre
  • sortie

Ce raccord est vissé sur le vase d'expansion, mais on peut le visser aussi sur la pompe, s'il s'agit d'un modèle de surface, ou même sur le pressostat, si celui-ci est vissé directement sur la pompe. Le choix est libre, tout dépend avant tout de la réalisation mécanique envisagée.

Le filetage d'un ballon peut aller de 15/21 à 26/34. Il faudra adapter à son propre cas.

Concernant le choix du raccord tout va dépendre du choix du pressostat :

  • 1 seul raccord ou 2 raccords entrée et sortie
  • raccord mâle ou femelle
  • manomètre intégré ou non

Suivant le modèle on aura besoin de 3, 4 ou 5 voies. On trouve une multitude de raccords possibles :

Raccord en T femelle

 

Raccord en croix femelle

On peut également utiliser un raccord mâle avec un raccord égal femelle/femelle sur le ballon.

On peut aussi utiliser un collecteur sanitaire de ce type, à 2 ou 3 départs. C'est la solution que j'ai choisi :

Pour faciliter la mise en route du surpresseur, et aussi pour pouvoir couper la sortie de celui-ci en cas de problème, on pourra adopter un collecteur équipé de vannes. Sinon, il faudra se procurer une vanne d'arrêt à visser sur l'une des sorties. Choisir de préférence un modèle avec écrou libre :



Utiliser un collecteur 20/27 avec des sorties 15/21 est la solution la plus facile, car les sorties sont du genre mâle, et on n'aura pas à utiliser de filasse ou de ruban téflon, les raccords étant vissés avec des joints fibre ou caoutchouc.

Un collecteur peut posséder entre 2 et 8 sorties. On peut ainsi prévoir également une sortie séparée pour chaque utilisation (toilettes, lave-linge, arrosage, etc.), ce qui simplifie les raccordements.

Si le diamètre du raccord du ballon est différent de 20/27, on peut insérer un réducteur.

1.4.1. Raccordement de l'arrivée d'eau

Pour le raccordement de l'arrivée d'eau provenant de la pompe, un adaptateur pour raccord rapide 15/21 est vissé sur un départ du collecteur, ou un adaptateur pour tube PER si l'on a choisi cette solution :



Si l'on a choisi un raccord en croix femelle, on trouve les mêmes adaptateurs en version mâle :

 

1.4.2. Raccordement du manomètre

Si l'on a choisi d'utiliser un pressostat du commerce avec un manomètre séparé, le raccordement de celui-ci se fait à l'aide d'un réducteur :

Le diamètre du réducteur dépend du modèle de manomètre, souvent 8/13 ou 12/17. On aura du mal à trouver un réducteur 20/27-8/13. On peut utiliser deux réducteurs vissés l'un dans l'autre : 20/27-12/17 et 12/17-8/13.

Si l'on a choisi un raccord en croix femelle, on trouve les mêmes réducteurs en version mâle :

1.4.3. Raccordement du pressostat

Le raccordement du pressostat se fait aussi à l'aide d'un réducteur.

Ici aussi le diamètre et le genre du réducteur dépend du modèle de pressostat.

2. La réalisation

Avant toute choses, il faut vérifier la pression de gonflage du ballon. Une pompe à vélo équipée d'un manomètre est nécessaire. Comme mon ballon provient d'un système de chauffage il est gonflé à environ 1 bar. Comme je désire une pression d'eau de 1 bar j'ai donc dégonflé la ballon à 0.5 bar.

J'ai fait des essais avec deux pompes dont je dispose :

  • une pompe immergée
  • une pompe de surface

Les avantage de la pompe immergée sont nombreux :

  • elle est placée dans le réservoir, ce qui réduit l'encombrement
  • elle consomme en général moins qu'une pompe de surface
  • elle est souvent équipée d'un flotteur
  • elle est souvent équipée d'un pré-filtre

L'avantage de la pompe de surface est qu'elle fournit en général plus de pression. Mais il faut faire attention aux matières utilisées. Un corps de pompe en fonte aura tendance à s'oxyder, et l'eau prendra une couleur rouille. Si le surpresseur est utilisé pour alimenter un lave-linge, le linge en subira les conséquences. Une filtration sérieuse sera obligatoire.

Avec une pompe de surface, que se passe t-il si le réservoir est vide ? Si le pressostat est capable de détecter l'absence d'eau, tout va bien. Sinon une solution est d'installer un flotteur dans le réservoir, câblé en série avec la pompe, qui coupera l'alimentation électrique de celle-ci en cas de manque d'eau :

2.1. Avec une pompe immergée

J'ai tout d'abord fait un essai avec une pompe immergée :

Pompe MacAlister 400W

Le diamètre de sa sortie est de 20/27. Elle est capable de remonter de l'eau à une hauteur de 11m, ce qui donne 1.1 bar, ce qui devrait être suffisant pour mon application. A la base il y a un filtre mousse, qui sera suffisant dans la majeure partie des cas, à condition de le rincer périodiquement.

Le pressostat utilisé est le TELEMECANIQUE XMP 6, réglé à sa pression minimale de déclenchement : 1 bar. Avec ce réglage, la pression d'enclenchement devrait être de 0.4 bar, ce qui est peu, probablement insuffisant pour un lave-linge.

2.1.1. Côté pompe

Le clapet anti-retour femelle/femelle 20/27 est d'abord vissé sur la sortie de la pompe. Ensuite un adaptateur pour raccord rapide ou PER est monté au ruban téflon.

Voici le montage pour une sortie sur tuyau d'arrosage :

Voici le montage pour une sortie sur tube PER :


2.1.2. Côté ballon

J'ai utilisé un collecteur à trois sorties. Il est monté au ruban téflon sur le ballon.

Comme je n'ai pas encore reçu mon pressostat, un manomètre récupéré sur une vieille chaudière va être utilisé temporairement pour vérifier l'étanchéité. Il est vissé en bout de collecteur sur un réducteur femelle/femelle 20/27-12/17 :

Si l'on utilise un pressostat sans manomètre il suffira de le raccorder sur la troisième sortie, à l'aide d'un réducteur adapté.

Deux tubes PER sont branchés, l'arrivée d'eau provenant de la pompe, et la sortie, à l'aide de raccords à vis femelle 15/21 pour PER Ø16mm, avec joints.

Pour purger l'air dans le circuit nous allons avoir besoin de brancher une vanne sur le tube de sortie, ou directement sur le collecteur, à moins d'avoir choisi un collecteur équipé de vannes.

Si l'on veut faire un raccordement à l'aide de tuyaux d'arrosage, il suffit de visser sur le collecteur deux nez de robinet pour raccord rapide au diamètre 15/21 :



Si l'on a choisi d'utiliser un pressostat du commerce avec manomètre intégré, on peut tout simplement le monter définitivement, mais sans le raccorder au secteur ni à la pompe.

2.1.3. Vérification de l'étanchéité

Il est important de comprendre que l'on va mettre le circuit sous pression pour le tester, sans raccorder électriquement le pressostat à la pompe, et on reviendra le lendemain pour voir si la pression s'est maintenue.

Après raccordement du tuyau provenant de la pompe, avant tout, il faut remplir le circuit d'eau, ce qui évitera d'envoyer de l'air dans le ballon. Cela se fait en ouvrant la vanne de sortie et en actionnant la pompe quelques secondes. Ensuite fermer la vanne de sortie.

Ensuite la pompe est branchée sur une prise secteur pendant quelques dizaines de secondes. Le manomètre affiche presque 1.1 bar, comme prévu. C'est le maximum que peut fournir ma pompe.

Il faut laisser le montage sous pression pendant quelques heures afin de vérifier l'étanchéité. Dans mon cas, le lendemain, la pression n'a pas chuté, ce qui est très encourageant.

Si la pression chute, il peut y avoir deux causes :

Une fuite peut apparaître au niveau du collecteur. Dans ce cas c'est facile à repérer et à corriger. Il suffit de revoir l'étanchéité, là où se trouve la fuite.

Sinon, si la fuite est située au niveau du clapet anti-retour, il faut sortir la pompe du réservoir et revoir l'étanchéité entre le clapet et l'adaptateur pour raccord rapide ou PER. Si la pression ne se maintient toujours pas, on peut soupçonner le raccord rapide lui-même, ou le clapet.

2.1.4. Vidange

Après avoir vérifié l'étanchéité, on peut ouvrir la vanne de sortie pour laisser s'échapper l'eau dans un seau. L'eau sous pression dans le ballon va s'écouler.

Le débit doit être correct. Si ce n'est pas le cas, c'est que ballon n'est probablement pas assez gonflé.

La quantité d'eau récupérée doit correspondre à la contenance du ballon. Si ce n'est pas le cas, c'est que ballon est probablement trop gonflé.

2.2. Avec une pompe de surface

Je dispose également d'une ancienne pompe de surface :

Le diamètre de ses raccords est de 26/34. Elle est capable de remonter de l'eau à une hauteur de 40m, ce qui donne 4 bar.

Le pressostat utilisé est le TELEMECANIQUE XMP 6, réglé à une pression de déclenchement de 2 bar. Avec ce réglage, la pression d'enclenchement devrait être de 1.4 bar.

Le ballon est gonflé cette fois-ci à 1 bar.

2.2.1. Côté pompe

Les raccords plastique de la pompe ont été éliminés. Il ne faut pas chercher à obtenir une étanchéité correcte avec ce genre de raccords pour tuyau souple de 25mm.

L'entrée d'eau de la pompe est équipée d'un réducteur mâle/mâle 26/34-20/27 sur lequel est vissé un adaptateur pour raccord rapide. Un tuyau d'arrosage diamètre 19mm est branché entre la pompe et le réservoir.

Le clapet anti-retour 20/27 est vissé sur la sortie de la pompe à l'aide d'un réducteur mâle/mâle 26/34-20/27. Ensuite un adaptateur pour raccord PER est monté :

L'étanchéité des raccords est réalisée au ruban téflon.

2.2.2. Côté ballon

Côté ballon, le branchement est le même que pour la pompe immergée. Ici aussi, il faut purger l'air dans le circuit en ouvrant la vanne de sortie et en actionnant la pompe quelques secondes. Ensuite fermer la vanne de sortie.

2.2.3. Vérification de l'étanchéité

La méthode est la même que pour la pompe immergée, sauf que la pompe est branchée sur une prise secteur jusqu'à ce que le manomètre affiche 2 bar.

Si une fuite apparaît, elle sera facile à repérer et à corriger. Il suffit de revoir l'étanchéité, là où se trouve la fuite.

Le lendemain, la pression n'a pas chuté, aucune fuite d'eau n'est à déplorer.

3. Réglages

Le pressostat, beaucoup plus imposant que je ne l'imaginais, est monté et raccordé au secteur et à la pompe :



Comme on le voit sur la photo du dessous, j'ai utilisé un raccord rallonge à écrous libres 15/21 femelle/femelle entre le collecteur et le pressostat, et un adaptateur mâle/mâle côté pressostat, ce qui facilite grandement le montage.

Comme le manomètre 12/17 que je possède ne se monte pas sur le pressostat, le raccord prévu pour le manomètre (en dessous du pressostat) est équipé d'un petit bouchon 8/13. Si l'on achète un manomètre 8/13 on pourra le visser sur le pressostat, et monter celui-ci sur le raccord 20/27 en bout du collecteur, où il sera plus facilement accessible.

Si la vis en façade du pressostat est dévissée au maximum, j'obtiens les pressions suivantes :

  • pression d'enclenchement : 0,5 bar
  • pression de déclenchement : 1.1 bar

Cela veut clairement dire que ma pompe immergée 1.1 bar sera inutilisable. Elle ne fournit pas assez de pression, en tous cas il n'y a aucune marge.

Si l'on désirait malgré tout utiliser une pompe de surface fournissant environ 1 bar ou moins, il faudrait trouver un pressostat capable de déclencher la pompe à une pression inférieure, ce qui risque d'être difficile à trouver.

Je vais donc utiliser la pompe de surface, et régler le pressostat pour une pression de déclenchement de 2 bar, et une pression d'enclenchement de 1.5 bar, ce qui revient à visser la vis en façade du pressostat de quelques tours.

La pression du vase d'expansion doit être réglée également à 1.5 bar. Cela se fait à l'aide de la valve Schrader située sous le vase. Elle est généralement cachée par un couvercle en plastique qu'il faut retirer. Un vase neuf est souvent gonflé à 3 bar, il faut donc le dégonfler à la pression voulue à l'aide d'un simple manomètre de mesure de pression de pneus de voiture.

4. Photos

Voici quelques photos de l'installation : 

Les trois réservoirs de 500 litres chacun et le surpresseur sont situés en cave enterrée, afin de leur éviter le gel. La pompe est directement posée au sol.

Les réservoirs sont reliés entre eux par des tubes de 14mm. Le réservoir de droite reçoit l'arrivée d'eau de pluie, tandis que l'eau est puisée par la pompe dans celui de gauche, assurant ainsi une double décantation.

Si la couleur du sol en terre battue est différente sous le réservoir de droite, ce n'est pas dû à une fuite d'eau. C'est simplement que j'ai aplani le sol avec du sable à cet endroit.

En haut, le filtre est un Filtre 116 Triplex - 9 pouces 3/4 acheté chez Amaveo.

Ce filtre, plus cher que celui prévu au départ, a l'avantage de disposer d'un premier filtre lavable 60μm. Les deux autres filtres sont classiques :

  • cartouche de filtration bobinée de 20μm
  • cartouche de filtration charbon actif

En dessous, le ballon est fixé au mur à l'aide d'un support à collier inox :

Pour la fixation au mur du filtre et du support de ballon, deux planches sont d'abord vissées sur le mur, car celui-ci est un mur ancien en pierre et il serait difficile d'obtenir la planéité nécessaire pour fixer le tout correctement, à moins de l'enduire.

Le manomètre utilisé au départ a été remplacé par un modèle 8/13 4 bar directement vissé sur le pressostat, ce qui libère la sortie verticale du collecteur. On peut remarquer que celle-ci est équipée d'une vanne, ce qui permet deux choses :

  • avoir de l'eau à disposition en cave
  • purger le surpresseur en cas d'intervention, le remplacement d'une cartouche de filtre par exemple

Le raccordement à la vanne est réalisé en tube de cuivre soudé Ø14mm :

  • un raccord 20/27 à écrou libre avec joint côté collecteur
  • un coude
  • un raccord 15/21 à écrou libre avec joint côté vanne

On pourrait très bien faire la même chose avec des raccords à olive si l'on veut éviter la soudure.

Les raccordements entre la pompe, le filtre et le collecteur, ainsi que la sortie du filtre sont réalisés en tube PER Ø16mm, avec des raccords 15/21 et des coudes à visser. Cela facilite grandement le montage, par rapport à des raccords à glisser ou à sertir, et tout est démontable facilement.

Comme le filtre est un modèle 20/27, deux réducteurs mâles 20/27-15/21 sont utilisés. Côté filtre l'étanchéité est assurée par du ruban téflon.

Ce montage comporte un petit défaut : la distance de 60cm entre un robinet et la prise secteur n'est pas tout à fait respecté.

5. L'utilisation

A l'utilisation, l'eau douce apporte de nombreux avantages. Le plus surprenant est à découvrir après la première lessive. J'ai été très surpris par la propreté et l'aspect du linge, malgré que j'aie utilisé deux fois moins de lessive. Certains vêtements en sont ressortis comme neufs ! C'est vraiment impressionnant.

6. Liens utiles

Après deux ans et demi, suite à un déménagement, la description de l'installation complète :

https://riton-duino.blogspot.com/2023/03/recuperation-deau-de-pluie-nouvelle.html

7. Conclusion

Cette expérimentation est plutôt concluante pour moi. Ce surpresseur, étant donné le matériel de récupération utilisé, a un prix de revient imbattable.

La liste des éléments utilisés est la suivante :

  • côté pompe :
    • 2 raccords mâle/mâle 26/34 - 20/27 : 10€
    • nez de robinet 20/27 : 5€
    • clapet anti-retour 20/27 : 9€
    • raccord mâle 20/27 pour PER Ø16 : 5€
  • côté ballon :
    • collecteur 3 sorties avec vannes : 20€
    • 2 raccords femelle 15/21 pour PER Ø16 : 8€
  • côté pressostat : 
    • raccord droit 15/21 à écrous libres : 6€
    • raccord mâle/mâle 15/21 : 1€
  • côté manomètre :
    • raccord mâle/femelle 20/27 - 12/17 : 3€
  • pressostat (ManoMano) : 35€ port compris
  • total : 102€

La pompe que j'ai utilisé est ancienne, j'en ai oublié le prix, mais on peut compter : 

  • 100€ pour une pompe de surface
  • 50€ pour une pompe immergée

Un ballon de 18 litres coûte environ : 

  • 30€ pour un modèle de chauffage (rouge)
  • 80€ pour un modèle sanitaire (blanc)

Il est certain que si l'on ne dispose pas comme moi d'une pompe et d'un ballon de récupération, le prix de ce surpresseur peut paraître prohibitif.

A cela il faut ajouter le filtre optionnel NatureWater NW-BR10B4 15/21 : 40€ port compris, ou un autre modèle.

Remarque : un surpresseur du commerce devra également être équipé d'un filtre, ou pas, suivant l'utilisation prévue. Le surcoût sera donc le même.

Le pressostat TELEMECANIQUE XMP 6 a l'air d'être bien construit, et extrêmement robuste par rapport aux modèles utilisés sur les surpresseurs bas de gamme du commerce.

En cas de panne, ce surpresseur sera de plus facilement réparable. Côté pompe, il serait étonnant qu'une panne puisse survenir. Je pense que le seul point faible de ce montage est le ballon de récupération, qui a certainement été utilisé pendant longtemps. Mais un vase d'expansion neuf ne coûte que 25€.

En résumé je suis absolument enchanté par ce montage, purement électro-mécanique. L'absence d'ARDUINO n'est pas un handicap, malgré ce que pourrait donner à penser le nom de ce blog.

Il manque cependant une chose : en cave, le risque de trop-plein et d'inondation est important, car l'évacuation à l'égout par simple gravité est impossible, à moins de compter sur l’absorption naturelle du sol. Un capteur de trop-plein pilotant une vanne d'arrêt de l'arrivée d'eau de pluie me semble indispensable, avec cette fois-ci un ARDUINO, forcément ! Un sujet simple qui fera probablement l'objet d'un article à venir rapidement.


Cordialement

Henri


jeudi 14 octobre 2021

ADS1256 : ADC Hautes Performances


ADS1256 : ADC Hautes Performances

 

Cet article présente un ADC (Analog to Digital Converter) hautes performances : l'ADS1256 :

  • 8 canaux (ou 4 en différentiel)
  • 24 bits
  • ±0.0010% maxi de non linéarité
  • bruit : 27nV
  • bus SPI
  • 30KSPS : 30000 échantillons par seconde
  • PGA : Amplificateur à Gain Programmable (1 à 64)

Ce convertisseur est un petit monstre dont il conviendrait d'exploiter au mieux les possibilités car son prix est conséquent : 15€.

AliExpress

On peut reprocher à cette carte d'être livrée avec des connecteur mâles déjà soudés sur la carte, ce qui oblige à utiliser des fils DUPONT femelles pour le raccordement. Ce n'est pas le cas de celle-ci :

Avec ce modèle on pourra souder les broches sous la carte et enficher ou souder celle-ci sur un PCB, pour une réalisation plus professionnelle.

Pour mon usage personnel, les 24bits de résolution de cet ADC sont franchement overkill, mais sa vitesse d'échantillonnage importante est un atout indéniable.

Texas Instruments a à son catalogue une foule d'ADCs SPI plus ou moins performants, mais celui-ci a un avantage incontestable : sa disponibilité sous forme de module.

Contrairement à l'ADS1115, on trouve assez peu d'informations sur le WEB concernant l'utilisation de l'ADS1256 avec un ARDUINO. Cela justifie bien un petit effort de ma part.

1. Le câblage

C'est un module SPI, donc il aura besoin d'un peu plus de broches qu'un classique ADS1115 I2C :

2. La librairie

Il faut installer la librairie suivante :

https://github.com/adienakhmad/ADS1256

Elle n'est pas installable depuis l'IDE. Il faudra l'installer en téléchargeant le fichier ZIP, et le décompresser dans le répertoire libraries de l'IDE.

On peut également l'installer avec git :

git clone https://github.com/adienakhmad/ADS1256

3. Testons

Chargeons l'exemple ADS1256_Efficient_Input_Cycling

Cet exemple implémente une mesure différentielle, c'est à dire que la mesure est effectuée entre deux canaux, ce qui réduit le nombre d'entrées possibles, 4 au lieu de 8.

A remarquer : l'ADS115 4 canaux est aussi capable de faire de la mesure différentielle, sur 2 entrées.

ATTENTION : l'ADS1256 possède un buffer d'entrée qui permet d'augmenter l'impédance d'entrée. Il peut être configuré grâce au bit BUFEN du registre de status. En fonction de la configuration, il ne faut pas dépasser une certaine tension d'entrée :

  • BUFEN = 0 la tension d'alimentation
  • BUFEN = 1 la tension d'alimentation moins 2V :

Par défaut BUFEN = 0.

De plus, la tension de référence de l'ADS1256 est de 2.5V. Au delà l'ADC saturera.

Appliquons une petite tension continue entre AIN0 et AIN1.

Le moniteur série devrait afficher ceci :

1.2943882942    -0.0000190735    -0.0000441074    -0.0000452995
1.2945414733    -0.0000226498    -0.0000381470    -0.0000512600
1.2944860458    -0.0000208616    -0.0000476837    -0.0000542402

La stabilité de la mesure différentielle est bien meilleure que ce que j'ai pu observer avec un ADS1115.

4. Conclusion

Cet ADC est à réserver à des applications exigeantes.

4.1. Mesures de précision

Avec son échantillonnage sur 24bits il a une résolution nettement supérieure à un ARDUINO (10bits), un ADS1115 ou un INA226 (16bits).

Pour information la résolution en pourcentage d'un ADC se calcule ainsi :

Pourcentage = 1 / 2^Résolution * 100

  • 10bits : 0.1%
  • 16bits : 0,0015%
  • 24bits : 0,000006%

Ce pourcentage représente le poids d'un bit par rapport à la pleine échelle, tout comme pour un multimètre. Il ne faut pas confondre résolution et précision.

Dans le cas d'un multimètre ayant une résolution de 2000 points, une différence de 1 point dans la mesure représente 0.5% de la pleine échelle, mais sa précision réelle peut aller jusqu'à 3%.

Dans le cas de l'ADS1256, une différence d'un point dans la mesure représente :

Résolution en volts = 3V / 2^Résolution = 3V / 2^24 =180nV

Bien entendu, pour obtenir la véritable précision de l'ADC, il faut ajouter la non linéarité : ±0.0010% maxi dans le cas de l'ADS1256, et également le bruit : 27nV.

4.2. Mesures de signaux rapides

Avec sa vitesse d'acquisition de 30KSPS il sera possible de mesurer des signaux de fréquence relativement élevée, ou des transitions rapides, par exemple mesurer les pointes de consommation d'un microcontrôleur, à l'aide d'une résistance shunt.

Un ADS1115, en comparaison, a une fréquence d'échantillonnage de 860SPS, 35 fois inférieure.

L'ADS1256 n'est pas tout à fait assez rapide pour faire des mesures en audio. Une fréquence d'échantillonnage supérieure à 40KHz serait préférable, mais avec ses 30KSPS, il se défend bien tout de même.

Seul l'ADC d'un gros microcontrôleur, un STM32 par exemple, fera mieux : 

STM32 : l'ADC

4.3. Analyse de signaux

Concernant ce point, il ne faut pas rêver. Avec un ARDUINO, et ses 2Ko de mémoire RAM, il sera difficile d'analyser quoi que ce soit, mis à part faire une moyenne sur un certain nombre d'échantillons ou déterminer la valeur maximale ou minimale d'une tension.

Un ESP32 sera certainement plus adapté pour faire des analyses plus poussées.

4.4. Mesure de tensions élevées

Pour mesurer des tensions supérieures à 3V, il est indispensable d'utiliser un pont diviseur à résistances sur les entrées de l'ADS1256.

On trouve couramment des résistances de précision à 0.1%.

4.5. Mesure de signaux faibles

Son PGA (gain programmable de 1 à 64) est capable d'amplifier les signaux à mesurer. Il sera possible par exemple de mesurer des signaux de 3V / 64 = 47mV à pleine échelle, tout en conservant la précision de 24bits.

Il n'est pas interdit de lui adjoindre un amplificateur d'instrumentation si l'on désire mesurer des signaux plus faibles.

 

Cordialement

Henri


lundi 27 septembre 2021

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