par Keith Szolusha, Applications Engineering Section Leader, Power Products, Linear Technology Corp.
Avec le fer à souder et le multimètre de poche, l’alimentation de table est un élément indispensable de toute boîte à outil de laboratoire électronique. Pour certains projets, une simple et unique tension constante suffit, mais le plus souvent, une variété de tensions et de courants sont nécessaires pour tester et mettre au point correctement un projet. Une alimentation de laboratoire ajustable de haute performance, permettant d’injecter tensions et courants à la demande, peut faire gagner un temps de débogage appréciable. Malheureusement, les alimentations de laboratoire universelles et ajustables sont généralement volumineuses et chères, du moins dans leurs versions les plus performantes, et présentent un certain nombre de limitations. Aucune n’est réellement portable (« de poche ») du fait des structures de dissipation de chaleur qui leur sont nécessaires. Elles ne peuvent supporter de valeurs de courant ou de tension nulles, même pour les plus coûteuses d’entre elles, et elles ne peuvent rivaliser avec la réponse aux transitoires et aux courts-circuits de l’alimentation présentée ici.
Économisez des coûts et libérez de l’espace pour votre banc de test en construisant vous-même une alimentation de table de haute qualité. Les composants clés de cette alimentation sont le régulateur linéaire LT3081 et un petit nombre de composants couramment disponibles (voir figure 1).
figure 1
Grâce aux fonctions uniques de source de courant de référence et d’amplificateur suiveur de tension de sortie du LT3081, il est possible de connecter deux régulateurs en parallèle pour ajuster et contrôler une sortie offrant jusqu’à 3 A et plus de 24 V. L’emploi de régulateurs linéaires à l’étage de sortie de votre alimentation sur mesure permet de supprimer l’ondulation sans recourir à de gros condensateurs, et d’obtenir une courbe DC réellement plate avec un circuit compact.
Sur le schéma de l’alimentation présenté en figure 2, les deux régulateurs LT3081 parallèles sont précédés par un convertisseur abaisseur synchrone de haute performance, dans notre cas un LT8612 de 40 V, 6 A. Aucun dissipateur thermique ni ventilateur ne sont nécessaires, contrairement à ce qui se passe avec les alimentations linéaires de table comportant des transistors de puissance, qui exigent d’évacuer la chaleur par conduction ou par flux d’air forcé.
Fig 2
Le LT8612 convertit efficacement, avec un fort courant aussi bien qu’avec un faible courant, une tension comprise entre 10 V et 40 V en une tension de sortie dynamiquement adaptable, qui va être maintenue juste au-dessus de la tension de sortie de l’alimentation de table (à savoir, la sortie du ou des régulateurs linéaires LT3081). Dans toute la plage de tension de l’alimentation de table, l’ondulation de sortie du LT8612 est faible et son rendement de conversion élevé. La perte de puissance à travers les LT3081 est minimisée en maintenant leur entrée juste au-dessus de leur tension de déchet. De plus, l’alimentation DC de table présente la particularité de pouvoir régler à zéro les valeurs minimales de tension et de courant. Un schéma complet de cette alimentation continue, à mode mixte, est présenté figure 3.
Fig 3
Les régulateurs linéaires parallèles stabilisent la sortie et contrôlent la tension et le courant
Les régulateurs linéaires sont couramment utilisés en sortie de convertisseurs abaisseurs pour supprimer l’ondulation de l’alimentation à découpage avec un minimum d’impact sur le rendement. Les deux régulateurs linéaires LT3081 en parallèle des figures 1 et 2 éliminent l’ondulation de sortie du LT8612 et contrôlent avec précision la tension et le courant constants à la sortie finale de l’alimentation. Le LT3081 a la capacité unique (pour un régulateur linéaire) d’être aisément monté en parallèle pour atteindre des courants plus élevés.
On voit sur les figures 2 et 3 comment il est possible de monter en parallèle deux LT3081 pour doubler le courant et atteindre 3 A (1,5 V par LT3081). Quelques connexions parallèles et deux petites résistances de ballast de 10 m? suffisent pour un partage précis du courant entre les deux dispositifs, sans perte de précision sur la tension de sortie. Couramment disponibles, des potentiomètres 10 k ? et 5 k ?, de haute qualité, connectés aux broches SET et ILIM contrôlent la tension de 0 à 24 V et le courant de 0 à 3 A. Il est tout à fait possible d’utiliser des potentiomètres d’un plus grand nombre de tours et d’une plus grande précision pour perfectionner son alimentation.
La limite minimale de courant de notre alimentation de table est de 0 A. Le LT3081 garantit un courant de sortie de 0 A tant que la résistance sur ILIM est de moins de 200 ?. Une petite résistance de 100 ? est placée en série avec le potentiomètre générant la sortie ILIMIT pour maximiser la plage de rotation et continuer à garantir un courant nul lorsque deux régulateurs sont utilisés en parallèle.
La limite minimale de la tension de sortie de l’alimentation est de 0 V. Le LT3081 garantit une sortie de 0 V tant qu’un courant de 4 mA est drainé sur la sortie. Le meilleur moyen est de mettre en œuvre une alimentation négative qui tire 8 mA des deux LT3081. Le régulateur LTC3632 de – 5 V produit aisément cette charge négative, dissipe peu de puissance et n’occupe qu’un espace minuscule sur la carte.
Courbe de régulation de charge plate et pente VI raide
Une fois la tension voulue définie avec précision, il n’est pas souhaitable de la voir dériver lorsque la charge est augmentée ou diminuée, ou lorsque l’on ajoute une charge. Idéalement, le profil de régulation devrait rester plat sur toute la plage de courant de charge comme sur les figures 4 et 5.
Fig 4-a
Fig 4-b
Fig 4-c
fig 4-d
fig 5
L’alimentation présentée ici respecte ces exigences. La sortie du LT3081 reste virtuellement plate de 0 A à 1,5 A. L’échauffement minimal de la puce aide à maintenir la régulation de charge de l’alimentation de table à moins de 50 mV près pour toute valeur de tension de sortie, comme le montre la figure 4, et même à 15 mV près grâce aux résistances de ballast de 10 m?. Avec le boîtier thermique DD, la chute de 1,7 V à travers les régulateurs linéaires délivrant 1,5 A ne produit qu’une augmentation de température de 30ºC, comme détaillé sur la figure 6.
fig 6
Le réglage du bouton qui gère la limite de courant doit être aussi déterministe que celui du bouton dédié à la tension. Si la limite est réglée à 3 A, l’alimentation de table doit limiter le courant exactement à cette valeur, et ne jamais délivrer de courant plus élevé. Enfin, pour une alimentation de table de haute performance, la courbe de régulation de tension en fonction du courant doit rester plate puis chuter en pente raide vers 0 V lorsque la limite de courant est atteinte. La figure 5 montre que notre alimentation se comporte comme prévu, quelle que soit la valeur limite de courant.
Le convertisseur abaisseur synchrone assure un bon rendement global
L’alimentation DC de table portable fournit de 0 A à 3 A pour toutes les tensions de sortie de 0 V à 24 V, à partir d’une tension d’entrée de 10 V à 40 V, cette entrée étant au moins 5 V au-dessus de la tension de sortie désirée. L’entrée peut venir d’un convertisseur AC/DC, couramment disponible en versions de 19 V, 28 V et 36 V. Elle peut aussi être fournie par un simple transformateur de 24 VAC, un pont redresseur et un condensateur de 10 mF, une combinaison qui délivre approximativement 34 V avec une ondulation de 1 à 2 V.
L’étage convertisseur abaisseur à découpage utilisant le LT8612 ramène la tension d’entrée AC/DC délivrée (de 10 V à 40 V) à une valeur située entre 0 V et juste sous la tension d’entrée. La sortie à faible ondulation de cet étage convertisseur est encore abaissée de 1,7 V à travers les régulateurs linéaires LT3081, en parallèle, jusqu’à la valeur finale de tension régulée, pratiquement sans ondulation sur la sortie.
Un haut rendement maintient une basse température
Grâce à une durée minimum d’état passant de seulement 40 ns, le convertisseur abaisseur synchrone LT8612 supporte aisément 3 A et affiche un rendement élevé en abaissant la tension jusqu’à une valeur aussi basse que 1,7 V, à partir d’une tension d’entrée atteignant jusqu’à 40 V, même à la fréquence de commutation relativement élevée de 700 kHz. Ce haut rendement à haute fréquence (voir figure 7) permet de réaliser avec un petit nombre de composants un convertisseur dont la température reste modérée aux fortes puissances.
fig 7
fig 7b
Feedback différentiel
On voit sur les figures 2 et 3 que le convertisseur LT8612 utilise un feedback différentiel pour réguler sa sortie (qui sert d’entrée à la paire de LT3081) en la maintenant 1,7 V au-dessus de la sortie de l’alimentation (à savoir, la sortie de la paire de LT3081). Le fonctionnement du LT3081 est optimum lorsque son entrée dépasse d’au moins 1,5 V sa sortie ; l’entrée est maintenue en fait 1,7 V au-dessus de la sortie, pour disposer d’une marge pour les transitoires.
Le feedback différentiel continue à fonctionner durant les transitoires de sortie et les courts-circuits, comme le montrent les figures 8 et 9. Lorsque la sortie est court-circuitée vers la masse (GND), la sortie du LT8612 la suit vers GND. Lorsque la sortie augmente soudainement en supprimant le court-circuit ou en variant le potentiomètre, le LT8612 suit la montée de la sortie du LT3081, en veillant toujours à rester 1,7 V au-dessus. Un condensateur de sortie de taille raisonnable de 100 µF suffit à le stabiliser dans différentes conditions, en conservant une réponse relativement rapide aux transitoires, sans toutefois égaler les régulateurs linéaires à cet égard.
Ce montage s’applique aussi à une alimentation délivrant 4,5 A, en connectant en parallèle trois régulateurs linéaires LT3081. Il ne serait pas nécessaire de changer le régulateur à découpage, car le LT8612 supporte un courant de crête de 6 A.
fig 8a
fig 8b
Une Source de courant précise pour contrer le coefficient de température de la broche ISET
La tension de sortie de l’alimentation s’ajuste facilement à la main avec un potentiomètre connecté aux broches SET de la paire de régulateurs LT3081. Il est facile de voir que chaque broche SET étant source d’un courant de 50 µA, il suffit de multiplier la somme des courants par une résistance ajustable pour générer la tension voulue sans composants additionnels. Cependant, ce courant peut ne pas suffire pour une solution robuste d’alimentation de table, car le LT3801 introduit une petite dérive en température.
Un moyen de contrer la dérive du courant est d’utiliser une source de courant plus élevée pour le potentiomètre de la broche SET. Le LT3092 est une source de courant précise qui fonctionne jusqu’à 40 V et peut générer un courant précis de 2,4 mA, pour une sortie de 24 V avec une résistance 10 k. Son courant de sortie est facile à ajuster en changeant la valeur de la résistance de réglage pour obtenir une autre valeur maximum de tension de sortie. La tension de sortie maximum devrait être de 5,5V avec une source de 12 V, 15 V avec une source de 24 V et 24 V avec une source de 36 V. Un interrupteur coupe l’alimentation du LT3092 lorsque l’alimentation de table est éteinte. Déconnecter cette puce de VIN lorsque l’interrupteur de l’alimentation est ouvert empêche son courant constant de piloter une sortie d’alimentation sans charge, et évite des dommages potentiels.
Réglage facile des courants et tensions avec Les potentiometres
Les broches SET et ILIM du LT3081 permettent de programmer facilement tout niveau de tension et de courant de sortie en tournant simplement un potentiomètre. Les LT3081, montés en parallèles, partagent la même connexion et la même tension de broche SET ainsi que les mêmes connexions de broches ILIM+ et ILIM?. Des potentiomètres 10 k et 5 k sont choisis pour des plages de tensions de 0 à 24 V et des plages de courants de 0 A à 3 A (ou légèrement au-dessus pour se donner un peu de marge.) Ces potentiomètres sont faciles à trouver sur le marché avec une large palette de performance et de coût.
L’alimentation de table de la photo de la page 12 utilise des potentiomètres à un seul tour dont les axes tournent facilement et qui se connectent à angle droit au circuit imprimé. Il est possible de les monter dans une cavité latérale au cas où vous décidez de loger le circuit imprimé dans un boîtier protecteur. Les éléments en cermet résistent mieux aux dérives dans le temps et en température : ils offrent une dérive en température de 150 ppm/ºC contre 1000ppm/ºC pour les versions similaires en plastique. Les potentiomètres peu onéreux en plastique restent excellents pour une alimentation de table standard, et des potentiomètres de précision à dix tours peuvent être utilisés pour un réglage fin des limites de tension ou de courant.
Si la dérive de VOUT en fonction du coefficient de température de ISET ne pose pas de problème, la source de courant LT3092 peut être supprimée et les potentiomètres 10 k ? remplacés par un potentiomètre 250 k ? de qualité similaire.
Un convertisseur négatif pour reguler à 0 V
Bien qu’il existe une solution triviale consistant à ramener le potentiomètre SET à 0 V via un court-circuit à la masse, il faut tirer 4 mA du LT3081 pour arriver à 0 V. Une précharge résistive de VOUT à la masse (GND) ne tire de courant que si VOUT n’est pas égale à zéro, aussi utilise-t-on une alimentation négative au lieu de drainer du courant à partir d’une sortie de 0 V. Le régulateur négatif LTC3632 est une petite source de ? 5 V qui draine ? 8 mA via une petite résistance placée entre ? 5 V et une tension base-émetteur VBE inférieure à la masse (? 0,6 V). Bien que le LTC3632 s’arrête quand l’interrupteur de l’alimentation est mis en mode OFF, il continue à fonctionner lorsque l’alimentation est en mode ON, même si la tension de sortie est supérieure à 0 V. Il faut choisir avec précaution le transistor de courant négatif puisque la multiplication de ? 8 mA par une chute de 24,6 V peut générer une quantité significative de chaleur, en particulier si l’impédance thermique du transistor dépasse 250°C / W ou si le courant négatif dépasse ?10 mA.
Contrôle du court-circuit et du courant nul
Le LT3081 assure le contrôle de la limite de courant jusqu’à 0 A indépendamment du réglage de la tension de sortie. Lorsque l’on tourne le bouton du courant jusqu’en haut, l’alimentation met en œuvre une limite de courant très nette à environ 3,1 A. Si la charge dépasse ce point, la tension chute en pente raide. Un simple tour de bouton déplace cette limite abrupte vers n’importe quelle valeur jusqu’à la valeur nulle, comme le montre la figure 5.
La condition de surcharge la plus extrême est le court-circuit, qui non seulement pousse la sortie vers la chute, mais aussi la ramène à la masse. L’alimentation de table maintient généreusement sa limite de courant en cas de court-circuit et régule la sortie du LT8612 à 1,7 V, générant le courant limite à travers le LT3081 et dans le court-circuit.
La figure 9 présente le résultat d’un court-circuit transitoire, avec la régulation de court-circuit du circuit intégré et la pointe de décharge de courte durée du condensateur. La réponse à cette pointe de moins de 10 µs est 500 fois plus rapide que celle d’une alimentation de laboratoire mixte de haute puissance d’usage courant, avec des réglages similaires, comme le montre la figure 10. La pointe de décharge de longue durée apparaissant sur la figure 10 peut endommager l’équipement de test, ce qui est un inconvénient des coûteuses alimentations universelles couramment utilisées dans les laboratoires ; elle est due à la lenteur des transistors de puissance et/ou aux valeurs plus élevées des condensateurs de sortie.
fig 9a
fig 9b
fig 10a
fig 10b
fig 10c
Comment Surveiller la sortie de l’alimentation
Connectez un multimètre ou un simple écran analogique sur la sortie pour obtenir une lecture précise de la tension. Ajoutez un autre multimètre ou un autre écran en série avec la sortie pour une lecture précise du courant. Si vous voulez éviter d’ajouter des équipements de mesure en série sur la sortie, le terminal IMON peut être utilisé pour une conversion tension – courant.
L’Entrée AC/DC
Notre alimentation DC portable de table se révèle très pratique pour générer instantanément une tension ou un courant constant dans le laboratoire. Il suffit simplement de fournir une tension DC de 10 à 40 V, d’allumer l’interrupteur et de tourner les boutons. Comme elle est compacte et peu coûteuse, il est possible d’en utiliser plusieurs, fonctionnant à partir de la même source DC, lorsque de multiples sorties et courants sont nécessaires.
Enfin, il est très facile de créer une alimentation de table totalement autonome en ajoutant un simple convertisseur AC/DC en entrée. La figure 12 présente un transformateur de 120 VAC à 24 VAC (5:1), un pont redresseur et un condensateur de sortie de 10 mF combinés pour produire 34VDC avec très peu d’ondulation. Ce simple convertisseur AC/DC vous permettra d’obtenir une tension d’alimentation de table maximum de 22 V.
Le pont redresseur devrait comporter des diodes Schottky de 3 A ou plus. Si leur température s’élève trop, il vous est toujours possible de les remplacer par un contrôleur à pont de diodes idéales LT4320 et quatre MOSFET, pour réduire la surchauffe du pont et éviter le recours aux dissipateurs thermiques. La valeur de 10 mF du condensateur de sortie peut être modifiée pour ajuster l’ondulation de sortie. A pleine puissance, un condensateur de 10 mF produira une ondulation d’environ ±1 V sur l’entrée DC de 34 V.
Vous pouvez aussi assembler une alimentation de table universelle complète en connectant n’importe quel convertisseur AC/DC universel de type « boîte noire » spécifié pour 12 – 36 V et 3 A. n’importe quel convertisseur AC/DC extrait d’un vieux PC ou acheté auprès d’un détaillant devrait faire l’affaire. Le seul impératif est que la tension de sortie maximum de l’alimentation de table reste environ 5 V en dessous de la valeur minimum de la source de tension d’entrée.
fig 12
fig 11a
fig 11b
Conclusion
Construisez votre propre alimentation DC de table pour contrôler des tensions et courants constants de 0 V à 24 V et 0 A à 3 A à l’aide de deux régulateurs linéaires LT3081 montés en parallèle, d’un abaisseur synchrone LT8612, d’une source de courant LT3092 et d’une minuscule alimentation négative LTC3632. Cette alimentation DC de table se caractérise par une faible ondulation de sortie, une faible capacité en sortie, une excellente réponse aux transitoires, une régulation maintenue jusqu’à 0 V et 0 A pendant un court-circuit, et une température qui reste modérée sans dissipateurs thermiques. Elle se couple aisément à un convertisseur AC/DC ou s’alimente à partir d’une source DC. La solution complète est peu coûteuse, compacte et facile à construire en dépit de sa performance de pointe.
Légendes figures :
Figure 1 (Photo) : Le circuit de démonstration DC2132Ade Linear Technology : une alimentation DC compacte et de haut rendement
Figure 2 : Bloc-diagramme de l’alimentation DC à mode mixte. Les composants clés sont les LT3081 montés en parallèle, qui produisent la sortie à faible ondulation et règlent la tension et la limite de courant.
Figure 3 : Schéma complet de l’alimentation DC de table délivrant 0 – 24 V, 0 – 3 A.
Figure 4 : La courbe V-I de l’alimentation DC montre une régulation de tension à moins de 50 mV de 0 A à 3 A, et une pente raide à 3,1 A.
Figure 5 : Ajustement de la limite de courant déplaçant la pente de la figure 4 de 3,1 A à toute valeur située entre 3,1 A et 0,0 A.
Figure 6 : Les scans thermiques de l’alimentation DC, à forte puissance et en court-circuit, montrent que la température des composants reste basse sans dissipateur ni ventilateur. De gauche à droite : (a) VIN = 36 V, VOUT = 24 V, ILOAD = 3 A ; (b) VIN = 36 V, VOUT = 3,3 V, ILOAD = 3 A ; (c) VIN = 12 V, VOUT = 5 V, ILOAD = 3 A; (d) Court-circuit en sortie, VIN = 36 V, ILIMIT = 3 A
Figure 7 : Rendement et perte de puissance de l’alimentation DC de table pour diverses valeurs d’entrée et de sortie.
Figure 8 : Réponse à un transitoire de 1 A à 3 A sur une sortie 5 V (a) La sortie de l’alimentation conserve une faible ondulation (b) La sortie du LT8612 suit la tension VOUT du LT3081 durant le transitoire.
Figure 9 : Sortie 5 V : un transitoire de charge (a) et un transitoire de court-circuit (b) sont bien tolérés par l’alimentation DC de table.
Figure 10 : (a et b) Réponse aux transitoires et courts-circuits de la coûteuse alimentation mixte XH100-10, plus lente que notre alimentation DC de table avec les mêmes réglages (figure 9). (c) L’alimentation de laboratoire Sorenson XHR100-10 en court-circuit avec une limite de 1,5 A.
Figure 11 : L’alimentation DC de table présente une faible ondulation de sortie pour une alimentation mixte avec COUT de 60 µF.
Figure 12 : La simple combinaison d’un transformateur 24 VAC(RMS), d’un pont redresseur et d’un condensateur fournit un frontal AC/DC de 34 V pour une solution complète.
Source: zellercom.com