FC007 - Alimentation de labo linéaire 30V 3A
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Voici la conception, réalisation et test d’une alimentation linéaire de laboratoire 30V 3A sans ventilateur, basée sur un LM723, deux 2N3055, un module chinois multi-metre et deux galvanomètres. Elle dispose d’une régulation de tension 0-30V et d’une limitation de courant 0-3A.
Vous pouvez trouver des liens vers les enregistrements vidéo et les supports imprimables associés à la fin de cet article.
- Vidéo
- Objectif
- Spécifications
- Conception
- Nomenclature
- Réalisation
- Tests
- Supports et liens
- Notes de bas de page
Vidéo
Objectif
Je dispose déjà d’alimentations de labo à découpage, mais elles sont plutôt bruyantes et génèrent beaucoup de parasites électromagnétiques. J’ai un transformateur linéaire, un module de mesure 30V/3A, un régulateur LM723 et plusieurs 2N3055 en stock. J’ai mis à profit un long week-end pour concevoir une unité d’alimentation de laboratoire linéaire et je l’utiliserai pour déboguer mon autre projet en cours : FC005, la charge électronique.
Je vais la construire en utilisant des cartes de prototypage, mais j’ai aussi conçu le PCB pour m’aider à implanter les composants et à les router. Du coup, le PCB est aussi disponible dans le projet Kicad ainsi que les fichiers gerbers.
Spécifications
30V, 3A, sans ventilateur. Limitation de tension et de courant. Connexion du négatif ou positif à la terre. Affichage de la tension et du courant à partir de la sortie.
Conception
J’ai démarré à partir d’un ancien schéma Français « Office du Kit 147 Alimentation de laboratoire ». Il ne fonctionnait pas très bien pour moi et ne me permettait pas d’ajuster la limitation de courant.
Ainsi, j’ai utilisé des schémas de Electronique 3D (fr) 1, Electronics DIY 2 et la datasheet du LM723 3.
Pour faire court, un transformateur 220 vers 30V, suivi par un pont de diodes. J’ai choisi d’utiliser des 1N5408 car j’en disposais. Elles sont limitées à 3A, mon maximum. J’ai choisi de les doubler pour être prudent. J’avais également un gros condensateur 4700µF. J’ai inclus un TVS dans mon schéma malgré que je n’en dispose pas et que je n’ai donc pas pu en implenter dans mon montage, comme protection supplémentaire.
Le transformateur délivre 30VAC à partir de 230VAC, c’est un vieux transformateur, maintenant le secteur est à 240VAC, un peu plus qu’autrefois. Le transformateur délivre donc 35VAC. Cette tension signifie $35V * \sqrt(2) = 49 V$ en pic, chaque diode a une tension de seuil de 1V et le courant doit en traverser deux, ainsi, la tension finale est de 47VDC. Le circuit est conçu pour délivrer 30V max et le LM723 ne peut pas supporter plus de 40V. J’ai donc du débobiner approximativement 35 spires de l’enroulement secondaire du transformateur pour en obtenir 30VAC et approximativement 40VDC après le pont de diodes et le condensateur, à vide.
Le témoin néon dont je dispose comporte déjà une résistance, je n’ai donc pas besoin d’en ajouter une, mais vous pourriez en avoir besoin si votre témoin n’en dispose pas déjà.
Le fusible est un 1A (F1A 5x20mm), ce qui est assez. L’alimentation va pouvoir délivrer au plus 100W et ne devrait pas tirer plus de 0,5A sur le secteur. Le courant d’appel au démarrage peut être plus important à cause de la partie inductance du transformateur et du gros condensateur. 1A devrait largement suffire.
Rien de terrible ici, regardons maintenant la partie régulation.
Je dispose déjà de 40VDC mais le module multi-mètre chinois fonctionne entre 3.5V et 28V. Je n’ai pas de régulateur adapté mais j’ai des diodes Zener 5W. J’ai utilisé une 1N5348 11V (D16) pour obtenir $40-11 = 29V$. C’est un tout petit peu au-dessus de la specification, mais c’est une tension théorique, à vide. J’ai rendu cette tension disponible sur J3 pour y connecter l’alimentation du module.
J’ai choisi d’utiliser des transistors de puissance 2N3055 (Q2 et Q3) pour réguler la puissance, ils sont montés sur des radiateurs pour dissiper la chaleur. J’ai utilisé des isolateurs en mica, mais je pourrais les retirer et mettre de la graisse thermique. Chaque transistor dispose de son propre radiateur, déconnecté, mais je pourrais n’en avoir qu’un seul puisque les collecteurs des deux transistors sont connectés de toutes façon. Je pourrais aussi mettre plus de transistors pour pouvoir dissiper plus de puissance, mais je n’en ai que deux et c’est suffisant pour mon besoin. J’ai ajouté des résistances d’équilibrage (R4 et R8) à chaque émetteur pour compenser la différence entre les transistors.
Je ne peux pas les piloter directement depuis le LM723, il ne peut délivrer que 150mA. Du coup, j’ai utilisé un BD139 (Q1), avec un petit morceau de métal en tant que radiateur. Même s’il ne devrait pas chauffer beaucoup. Ainsi, le LM723 peut piloter directement Q1 et Q1 peut facilement piloter Q2 et Q3 (voire plus). J’ai ajouté les points de connexion J6, J7 et J8 car les transistors ne se trouveront pas physiquement sur le PCB.
Maintenant, j’ai besoin de réguler la tension. J’ai besoin d’utiliser les broches 4, 5 et 6 du LM723. Pour faire simple, 4 et 5 sont respectivement les broches inverseuse et non-inverseuse d’un amplificateur opérationel interne. La datasheet indique : pas plus de 8V entre le GND et les broches 4 et 5, pas plus de 5V entre les broches 4 et 5. Le LM723 fournit une tension de référence de 7,15V sur sa broche 6, mais cette broche ne peut pas délivrer plus de 15mA. Ok, il faut commencer par faire un retour (feedback) de la tension de sortie sur la broche 4.
J’ai utilisé R2 et R3 pour diviser la tension de sortie et obtenir un retour proportionel dans les spécifications du LM723. J’ai découvert que ce retour a besoin d’être plus élevé que la tension de seuil de la jonction interne, j’ai donc utilisé une diode 1N4004 (D13) pour remonter le retour de 1V. Au final, j’ai un retour entre 1V et 4,76V pour une tension de sortie entre 0 et 30V.
Maintenant, j’ai besoin de quelque chose de similaire pour le réglage de la tension sur l’entrée non-inverseuse du comparateur. J’ai donc utilisé la même diode 1N4004 (D14) pour augmenter la tension de réglage de la même valeur (1V) et calculé le diviseur de tension pour obtenir une tension de consigne entre 1V et 4,77V afin d’alimenter l’entrée non-inverseuse de l’amplificateur opérationel. Le diviseur de tension est dimensionné également pour limiter la consommation de courant à partir de la broche 6 du LM723 et ne pas dépasser ses spécifications (15mA).
Ok, j’ai une correspondance entre le retour et la consigne, ils sont dans les spécifications du LM723 et devraient couvrir toute la plage de valeurs pour une tension de sortie entre 0V et 30V. Regardons maintenant le limiteur de courant.
Le limiteur de courant se trouve sur les broches 2 et 3 du LM723. Si la différence entre la broche 3 (CSEN) et la 2 (ILIM) est positive, le LM723 va commencer à réduire sa sortie sur la broche 10 (Vout). Mais CSEN et ILIM sont tous les deux connectés à une jonction interne qui va nécessiter également une tension supérieurs à sa tension de seuil (environ 0,6V).
J’ai utilisé une résistance 0,33R5W (R33) en tant que shunt pour récupérer une différence de tension proportionelle au courant qui la traverse (0-3A). Selon la loi d’Ohm, $U=R.I$, j’ai : \(0.33*0 <= U <= 0.33*3\), soit \(0 <= U <= 1\).
Super, mais j’ai besoin que le minimum soit supérieur à la tension de seuil de la jonction interne, j’ai donc besoin d’une diode acceptant 3A : la 1N5408 supporte 3A et je préfère la doubler pourdistribuer le courant. Même si la distribution est déséquilibrée, au pire, aucun des deux n’aura à supporter son maximum de 3A. Au final, le shunt renvoie $1 <= U <= 2$. Super ! J’ai besoin de récupérer une fraction de cette valeur comme feedback. Je fais cela grâce à la résistance variable (RV2) comme diviseur de tension. La valeur est suffisament élevée comparée à la résistance de shunt pour que le courant qui la traverse soit très petit. J’ai ajouté une diode 1N4004 (pas besoin de puissance ici) pour avoir la même chute de tension et obtenir un feedback dans la même plage de valeurs.
Ok, maintenant, la fonctionnalité de limitation de courant est dimensionnée et configurée.
Enfin, j’ai besoin d’un gros condensateur (environ 1/10 de celui de redressement, en théorie). J’ai utilisé celui du kit d’origine : 2200µF. J’ai connecté les ampère-mètres à la sortie, sur la branche négative, c’est obligatoire par conception du module chinois. J’ai également ajouté un interrupteur poussoir to court-circuiter la sortie, déclencher la limitation de courant et mesurer le courant, ce qui permet de régler la consigne.
Nomenclature
J’ai commencé par la nomenclature et non par la conception car je souhaitait baser ma conception sur les composants dont je disposais, une approche du bas vers le haut. Néanmoins, je fournis ici la liste des composants avec leur datasheet, fabricant, référence fabricant et la référence chez TME 4. TME est un fournisseur de qualité, peu cher, basé en Europe (Pologne) avec une livraison rapide.
Comme je l’ai indiqué, j’ai réutilisé des composants de mon stock, je n’ai pas commandé ni essayé ceux-ci, il vous faut donc vérifier les valeurs références, prix et empreintes avant de passer votre commande.
| Référence | Valeur | Quantité | Datasheet | Fabricant | Réf.Fab. | Réf.TME |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C1 | 4700uF | 1 | https://www.tme.eu/Document/280e3fb6bfa2629e98808628203c848c/e-ls.pdf | NICHICON | LLS1J472MELA | LLS1J472MELA |
| C2 | 10uF | 1 | https://www.tme.eu/Document/ee7c1395f0741ee0ee0df84539c3fd29/e-urs.pdf | NICHICON | URS1C100MDD | URS1C100MDD |
| C3 | 100pF | 1 | https://www.tme.eu/Document/e69911e065ed5e1d0ce354af6c563ca3/CC-4.7.pdf | SR PASSIVES | CC-100 | |
| C4 | 2200uF | 1 | CE-2200/40A | |||
| D1 | D_TVS | 1 | ||||
| D13 D14 D3 | 1N4004 | 3 | http://www.vishay.com/docs/88503/1n4001.pdf | VISHAY | ||
| D16 | 1N5348 11V 5W | 1 | https://www.tme.eu/Document/01c8e2b3cf396fe61d216c295d761a68/1N53_ser.pdf | ON SEMICONDUCTOR | 1N5348BG | 1N5348BG |
| D10 D11 D12 D2 D4 D5 D6 D7 D8 D9 | 1N5408 | 10 | http://www.vishay.com/docs/88516/1n5400.pdf | VISHAY | 1N5408-E3/54 | 1N5408-E3/54 |
| F1 | Fuse | 1 | ||||
| HS1 | Heatsink | 1 | banggood.com/182x100x45mm-Aluminum-Heat-Sink-Heatsink-For-High-Power-LED-Amplifier-Transistor-Cooler-p-1142259.html | Banggood | 1142259 | |
| J1 | Vcc | 1 | ||||
| J2 | GND | 1 | ||||
| J3 | Module+ | 1 | ||||
| J5 | Vout+ | 1 | ||||
| J6 | 3055-Coll | 1 | ||||
| J7 | 3055-Base | 1 | ||||
| J8 | 3055-Emm | 1 | ||||
| J9 | Vout- | 1 | ||||
| NE1 | Red | 1 | NINIGI | NI-1RD | ||
| Q1 | BD139 | 1 | http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00001225.pdf | STMicroelectronics | BD139 | BD139 |
| Q2 Q3 | 2N3055 | 2 | http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/2N3055-D.PDF | ON SEMICONDUCTOR | 2N3055G | 2N3055G |
| R1 | 6K2 | 1 | ||||
| R2 | 6K8 | 1 | ||||
| R3 | 47K | 1 | ||||
| R4 R8 | R33 5W | 2 | ROYAL OHM | KNP05SJ033KA10 | KNP05WS-0R33 | |
| R5 | R33 5W | 1 | ROYAL OHM | KNP05SJ033KA10 | KNP05WS-0R33 | |
| RV1 RV2 | 10K | 2 | https://www.tme.eu/Document/e13a4eb615fc162fef410c3ed914459b/SR_Passives-POT2218M.pdf | SR PASSIVES | POT2218M-10K | POT2218M-10K |
| SW1 | SW_SPST | 1 | https://www.tme.eu/Document/f90695597f0f1676a8d370239f391d47/1811.1102.pdf | Marquardt | 01811.1102-02 | 1811.1102 |
| SW2 | AmpSet_3A | 1 | ||||
| T1 | 240-30-90VA | 1 | https://www.tme.eu/Document/c4aa10c935ccc8c890c2de085c552cbb/TMM-EN.pdf | BREVE TUFVASSONS | TMM63/A230/36V | TMM63/A230/36V |
| U1 | LM723_DIP14 | 1 | http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm723.pdf | TEXAS INSTRUMENTS | UA723CN | UA723CN |
Réalisation
Rien de terrible ici, un vieux boitier, une plaque de prototypage, un panneau imprimé en 3D… J’ai utilisé des connecteurs XT60, Dean et banane 3,5mm entre le panneau avant, les cartes et le transformateur. Ces petits connecteurs peuvent supporter pas mal de courant, ils sont utilisé sur les drones avec des batteries LiPo 2,2A.h 35C !
J’ai ajouté deux galvanomètres. Ils ne sont pas si précis, mais mettent bien mieux en évidence les variations que leurs homologues digitaux. J’ai un premier interrupteur pour connecter la terre à la borne positive, négative ou pour garder l’alimentation flottante. Le second interrupteur est un poussoir pour court-circuiter la sortie et laisser passer le maximum de courant autorisé, ainsi les ampèremètres affichent la consigne imposée et on peut effectuer le réglage de limitation. Cet interrupteur doit impérativement pouvoir supporter 3A. J’utilise enfin deux potentiomètres 10 tours pour régler les limites de tension et de courant.
Tests
Toutner les potentiomètrs au minimum (vérifier à l’Ohm-mètre). Vérifier que l’interrupteur de court-circuit n’est pas fermé. Allumer, lé témoin néon devrait s’allumer, les galvanomètres devraient rester vers 0, la tension devrait être de l’ordre de 3V et le courant de l’ordre de 0,013A. Vérifier la tension aux bornes de C1, on devrait lire 40VDC.
Si on tourne le potentiomètre de tension, rien ne devrait vraiment changer, car la limite de courant est trop basse. Augmenter la limite de courant de 2 ou 3 tours et modifier la limite de tension. La tension devrait s’élever lentement. On peut essayer l’interrupteur de court-circuit pour vérifier le réglage de limitation de courant et l’ajuster.
Attention, le limiteur de courant peut être réglé au-delà de 3A, mais le reste du circuit ne le supportera pas plus de quelques secondes, le module multi-mètre va fondre et les transistors de puissance vont frire.
Si vous disposez d’un oscilloscope, vous pouvez vérifier la chute de tension aux bornes de C1 lors d’un court circuit à 3A :
et la propreté (ou non) de la sortie entre 2 et 25V avec ou sans court-circuit :
Supports et liens
- Video
- Kicad file
- http://www.electronique-3d.fr/Le_regulateur_LM723.html
- http://electronics-diy.com/30v-10a-variable-bench-power-supply.php