Conception et réalisation d`une alimentation multiple pour

Conception et réalisation d’une alimentation
multiple
Cette alimentation multiple se présente dans un boîtier type pupitre, associée à un
voltmètre et des platines d’essai. La finalité de ce montage est de réaliser des expériences,
tests analogique(s) et numérique(s).
Version 1.0
Yvan Radenac
25 avril 2005
Avant-propos
Le but de ce document est d’expliquer et construire une "alimentation multiple".
Etant en possession du transformateur à l’origine de ce montage, les calculs s’y
réfèreront. Mais afin de laisser la possibilité à tout à chacun de le réaliser, le calcul
du transformateur adéquat est fourni. De plus les formules étant données, il suffit
de remplacer les valeurs . . .
Ce montage est basé sur des circuits régulateurs fixes et variables. Il est donc
très simple à comprendre et à réaliser.
Tout d’abord, les caractéristiques vont être présentées.
Puis, le schéma sera donné pour ensuite aboutir au calcul des composants. Enfin, le circuit imprimé sera disponible dans ce document et dans un fichier annexe
en noir et blanc.
Cette étude et ce document ont été réalisés sur un PC avec :
GNU/Debian Distribution GNU/Linux [1] ;
TEX et LATEX Utilisation de la distribution teTEX [2] ;
dvipdfm Générateur de fichiers PDF à partir de TEX et LATEX [3] ;
Ghostscript Interpréteur Postscript [4] ;
Gedit Editeur multi-langages simple dont TEX et LATEX [5] ;
gEDA CAO électronique pour la saisie de schémas [6] ;
PCB Dessin de circuits imprimés [7] ;
GNU et FSF Les outils classiques développés dans le projet GNU [8] et [9] ;
Copyright (c) 2005 Yvan Radenac. Permission est accordée de copier, distribuer
et/ou modifier ce document selon les termes de la licence de Documentation Libre
GNU (GNU Free Documentation Licence), version 1.1 ou toute version ultérieure
publiée par la Free Software Foundation [9].
i
ii
Table des matières
1
Conception
1.1 Caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Calcul des composants
2.1 Transformateur . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Alimentation symétrique . . . . . .
2.1.2 Alimentation fixe et variable . . . .
2.1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . .
2.2 Redressement . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Alimentation symétrique . . . . . .
2.2.2 Alimentation fixe et variable . . . .
2.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . .
2.3 Filtrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Alimentation symétrique . . . . . .
2.3.2 Alimentation fixe et variable . . . .
2.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . .
2.4 Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Alimentation symétrique . . . . . .
2.4.2 Alimentation fixe et variable . . . .
2.4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . .
2.5 Régulateur variable . . . . . . . . . . . . .
2.6 Filtrage de sortie . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.1 Surtensions . . . . . . . . . . . . .
2.7.2 Charge négative . . . . . . . . . .
2.7.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . .
2.8 Voltmètre . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8.1 Alimentation -5V pour le voltmètre
2.8.2 Entrée pour le voltmètre . . . . . .
2.8.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . .
2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
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5
6
6
6
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7
7
7
7
8
8
8
9
9
10
11
12
13
13
13
13
13
14
14
15
16
TABLE DES MATIÈRES
iv
3 Réalisation
3.1 Choix du boîtier . . .
3.2 Circuit imprimé . . . .
3.3 Liste des composants .
3.4 Perçage, soudure, tests
3.5 Assemblage . . . . . .
3.6 Conclusion . . . . . .
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19
19
19
20
20
26
26
4 Compléments
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Table des figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
31
33
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Chapitre 1
Conception
Cette partie va présenter les caractéristiques, section 1.1, choisies pour cette
réalisation. Ensuite, le schéma, section 1.2, sera montré.
Commençons par les caractéristiques
1.1
Caractéristiques
Cette réalisation s’appuie sur des circuits maintes fois décrits. En conséquence,
sa mise en oeuvre ne pose aucun problème et sa fiabilité est éprouvée.
Le choix fait ici est d’avoir des alimentations fixes afin de tester des circuits
analogiques et numériques. Les amplificateurs opérationnels ont la plupart du temps
besoin de +/- 12Volts et les circuits numériques de +5Volts. Par ailleurs, une alimentation réglable entre 1,25 et 5 Volts sera disponible pour des circuits moins
classiques. L’alimentation variable pourrait être de 1,25 à 12Volts avec le transformateur idéal -celui calculé et non celui que je possède - ;).
Ces différentes alimentations devront pouvoir délivrer 1 Ampère maximum
afin de couvrir largement les cas les plus classiques.
D’où la récapitulation des caractéristiques :
– Une alimentation symétrique +/- 12 Volts, 1 Ampère ;
– Une alimentation +5 Volts, 1 Ampère ;
– Une alimentation variable 1,25 à 5 Volts, 1 Ampère.
Par ailleurs, un voltmètre sera disponible afin de régler aisément la tension
variable. Plusieurs solutions sont possibles :
– Par galvanomètre ;
– Par un voltmètre numérique.
Le but final est de l’incorporer dans un boîtier type pupitre, avec les bornes
de sortie, le potentiomètre règlant et le voltmètre mesurant en permanence la tension variable sur la partie verticale et des platines d’essai pour expérimenter divers
circuits sur la partie horizontale, voir l’implantation dans le boîtier, section 3.1.
Plus tard, il serait possible d’adjoindre une carte dédiée au numérique pilotée
par ordinateur afin d’étendre les expérimentations. Elle pourrait contenir un micro1
2
CHAPITRE 1. CONCEPTION
contrôleur gérant la connexion PC avec un convertisseur numérique-analogique,
un convertisseur analogique-numérique et quelques entrées-sorties.
Mais revenons à l’étude actuelle, et le schéma qui va suivre.
1.2 Schéma
Comme vu précédemment, plusieurs alimentations seront disponibles, voici
le schéma, figure 1.1. Celui-ci se décompose en plusieurs blocs correspondant à
chaque tension délivrée.
1.3 Conclusion
Après avoir donné le schéma de principe montrant cinq régulateurs entourés
chacun d’à peu près tous les mêmes composants, vient le temps du calcul des composants de ce schéma, figure 1.1.
1.3. CONCLUSION
F IG . 1.1 – Alimentation multiple : Schéma général
3
4
CHAPITRE 1. CONCEPTION
Chapitre 2
Calcul des composants
Ce chapitre va permettre de calculer et déterminer l’ensemble des composants
intervenant dans ce montage en balayant l’ensemble des fonctions de ce genre de
réalisation.
Chaque fonction d’une alimentation va être calculée :
– Le transformateur ;
– Le redressement ;
– Le filtrage ;
– La régulation ;
– Le filtrage de sortie ;
– Les protections.
Commençons par le transformateur.
2.1
Transformateur
Etant déjà en possession du transformateur 10V - 2A et 20V - 3A, le calcul est
très simple. Pour information, voici les caractéristiques à prendre en compte :
– La tension crête ;
– Le courant disponible.
Les constructeurs fournissent le plus souvent la tension Vnominale ainsi que la
puissance P(VA) et rarement le courant. Les formules de base sont :
N breenroulements × P(V A)
Vnominale
√
=
2 × Vnominale
I =
(2.1)
Û
(2.2)
(2.3)
De plus, à vide, le transformateur présente une tension secondaire plus importante
d’un facteur 1,25. Par ailleurs, la tension du réseau électrique est fournit à +/- 10%.
Commençons par l’alimentation symétrique +/- 12 Volts.
5
CHAPITRE 2. CALCUL DES COMPOSANTS
6
2.1.1 Alimentation symétrique
Afin de limiter le prix du transformateur, nous utiliserons chaque alternance passage du positif au négatif - pour alimenter le régulateur ad-hoc.
Comme la sortie sera de +/-12 Volts, nous choisirons un transformateur d’au
moins 15Vef f . Le courant étant au maximum de 1 Ampère, la puissance apparente
est calculée selon la formule 2.1 :
P(V A) = 1 × 15 × 1 = 15V A
Le transformateur pour l’alimentation symétrique sera de 15V - 18, 20 ou 24VA.
2.1.2 Alimentation fixe et variable
De la même manière, le transformateur n’a besoin que d’un seul enroulement.
Les caractéristiques étant une tension fixe de 5V et une sortie variable, soit un
courant maximum de 2A, nous choisirons un transformateur d’au moins 9Vef f .
2.1.3 Conclusion
Comme souvent, les transformateurs sont disponibles avec deux enroulements
identiques, il suffit de prendre un modèle délivrant 2 A pour chaque enroulement,
selon la formule 2.1 :
P(V A) = 2 × 15 × 2 = 60V A
Le transformateur pour les deux alimentations serait de 2x15V - 60VA. La suite
des calculs s’appuieront sur les caractéristiques de mon propre transformateur. En
remplaçant dans les calculs par le transformateur proposé, vous pourrez réaliser
votre propre montage, avec, si vous le souhaitez, une tension variable de 1,25 à
12V.
2.2 Redressement
2 techniques sont utilisées pour cette fonction :
1. Un redressement mono-alternance pour l’alimentation symétrique ;
2. Un redressement double-alternance pour l’alimentation fixe et variable.
Voici les calculs pour chaque alimentation.
2.2.1 Alimentation symétrique
Le courant moyen dans les diodes est celui de sortie, soit 1A maximum. Les
diodes de redressement étant dimensionnées pour cette fonction,√ le courant de
pointe ne sera pas calculé. D’où deux diodes pouvant supportées 20 2×1, 25 ' 36
Volts et 1 Ampères.
2.3. FILTRAGE
2.2.2
7
Alimentation fixe et variable
Le redressement double-alternance se trouve tout fait dans le commerce sous
√ le
nom de "pont de diodes". Il suffit de choisir ce composant pour supporter 10 2 ×
1, 25 ' 18 Volts et 2 Ampères. Ce composant étant dimensionné pour cette fonction, le courant de pointe ne sera pas calculé.
2.2.3
Conclusion
Les modèles de diodes ou de pont de diodes pour la fonction redressement sont
prévus pour répondre aux éxigences de cette fonction. En conséquence, un pont
de diodes B40C3700 pour les alimentations fixe et variable et des diodes 1N4002
pour l’alimentation symétrique suffisent.
2.3
Filtrage
Le filtrage de chacune de ces alimentations conssite à calculer :
– La tension crête minimale fournie au secondaire ;
– La tension d’ondulation ;
– Le condensateur de filtrage selon le redressement choisi.
Les formules utilisées sont :
√
Ûmin = Vef f icace × 2 × 0, 9
(2.4)
VRedressement = 0, 7V si simple alternance ou
(2.5)
VRedressement = 1, 4V si double alternance
(2.6)
VRegulateur = 2V olts pour des régulateurs intégrés
(2.7)
∆v = Ûmin − (V s + VRegulateur + VRedressement ) (2.8)
T yperedressement = 2 si simple alternance ou
T yperedressement = 1 si double alternance
ISortie × T yperedressement × 0, 01
C =
∆v
(2.9)
(2.10)
(2.11)
D’où les calculs selon les alimentations.
2.3.1
Alimentation symétrique
Ce montage utilisant un redressement simple alternance, d’où T yperedressement =
2 et donc les calculs sont :
√
Ûmin = 20 × 2 × 0, 9 ' 26V olts
∆v = 26 − (12 + 2 + 0, 7) = 11, 3V olts
1 × 2 × 0, 01
= 1770µF arads
C =
11, 3
CHAPITRE 2. CALCUL DES COMPOSANTS
8
La valeur de condensateur la plus proche est 2200µF , avec une tension de service
d’au moins 36 Volts, calculé section 2.2.1. Il est d’usage d’ajouter un condensateur de faible valeur, de type plastique, pour filtrer les fréquences hautes, soit un
condensateur de 330nF.
2.3.2 Alimentation fixe et variable
Les calculs des alimentations fixe et variable se déroulent de la même manière.
Par contre, il faut déterminer le cas le plus défavorable de l’alimentation variable :
1,25V ou 5V. Il apparaît facilement que le cas le plus défavorable, aboutissant à
un condensateur de valeur élevé, est quand ∆v est faible soit une tension de sortie
élevée et donc la valeur de 5V.
En prenant une valeur de sortie de 12V et le transformateur 2x15V, la valeur
serait identique à l’alimentation symétrique. En effet, le redressement double alternance compense le courant de sortie de 2A.
Dans le cas présent, voici les calculs :
√
Ûmin = 10 × 2 × 0, 9 = 12, 96
(2.12)
∆v = 12, 96 − (5 + 2 + 1, 4) = 4, 56
2 × 0, 01
C =
= 4386µF arads
4, 56
(2.13)
(2.14)
La valeur de condensateur la plus proche est 4700µF , avec une tension de service
d’au moins 18 Volts, calculé section 2.2.2. Il est d’usage d’ajouter un condensateur de faible valeur, de type plastique, pour filtrer les fréquences hautes, soit un
condensateur de 330nF.
2.3.3 Conclusion
En résumé, pour l’alimentation symétrique, il faudra 2 condensateurs électrolytiques de 2200µF , 40V associés à 2 condensateurs plastique de 330nF. Pour les
alimentations fixe et variable, il faudra un condensateur électrolytique de 4700µF ,
25V associé à un condensateur plastique de 330nF.
Passons maintenant au calcul du refroidissement des régulateurs de tension.
2.4 Dissipation
Le calcul de la dissipation va consister à déterminer les dimensions des refroidisseurs pour chaque régulateur. Les formules associées à ce calcul sont adaptées
aux électroniciens. Voici les étapes à enchaîner :
1. Calcul de la puissance dissipée ;
2. Recherche des données constructeur (résistances thermiques et tension de
jonction du régulateur) ;
2.4. DISSIPATION
9
3. Calcul de la température de jonction sans radiateur et donc information sur
sa nécessité ;
4. Calcul d’un radiateur (résistance thermique) ;
5. Recherche des modèles convenant dans les catalogues constructeur.
Les régulateurs étant en boîtier TO-220, les données constructeur sont sensiblement les mêmes :
Tj
= 150◦ C
Rthj−c = 3◦ C/W
Rthj−a = 50◦ /W
Commençons par l’alimentation symétrique.
2.4.1
Alimentation symétrique
Tout d’abord, commençons par le calcul de la puissance maximum dissipée :
PDissipee = (Ûmax − Vredressement − ∆v − VS ) × IS
√
= (20 × 2 × 1, 1 − 0, 7 − 11, 3 − 12) × 1
= 7, 11W
Il est alors possible d’obtenir la température de jonction, sans radiateur :
Tj
= Rthj−a × PDissipee + Ta
= 50 × 11, 3 + 25 = 590◦ C
La température obtenue est largement au-dessus des caractéristiques du composant,
celui-ci serait détruit. Il est donc nécessaire de lui adjoindre un radiateur :
Rthr−a =
=
Tj − Ta
− (Rthj−c + Rthc−r )
PDissipee
150 − 25
− (3 + 0, 5) = 14, 08◦ C/W
7, 11
Ce calcul est bien entendu identique pour les régulateurs positif et négatif.
Un modèle basique pour boîtier TO220 ne suffira pas. Des modèles comme le
WA 361-2 de Schaffner ou SK104 24,4 de Fisher conviennent.
2.4.2
Alimentation fixe et variable
Comme vu précedemment pour l’alimentation symétrique, le calcul pour le
régulateur fixe 5V est identique. Voici les différents résultats :
PDissipee = (Ûmax − Vredressement − ∆v − VS ) × IS
CHAPITRE 2. CALCUL DES COMPOSANTS
10
= (10 ×
√
2 × 1, 1 − 1, 4 − 4, 56 − 5) × 1
= 4, 6W
Tj
= Rthj−a × PDissipee + Ta
= 50 × 4, 6 + 25
Rthr−a
= 255◦ C Un radiateur est donc indispensable
Tj − Ta
=
− (Rthj−c + Rthc−r )
PDissipee
150 − 25
− (3 + 0, 5) = 23, 7◦ C/W
=
4, 6
En conséquence, un radiateur simple pour TO-220 suffit amplement.
Pour l’alimentation variable, enfin de se situer dans le cas le plus défavorable
pour les calculs, il suffit de prendre VSmin dans le calcul de la puissance dissipée :
PDissipee = (Ûmax − Vredressement − ∆v − VS ) × IS
√
= (10 × 2 × 1, 1 − 1, 4 − 4, 56 − 1, 25) × 1
= 8, 3W
Tj
= Rthj−a × PDissipee + Ta
= 50 × 8, 3 + 25
Rthr−a
= 440◦ C Un radiateur est indispensable - on s’en doutait un peu !
Tj − Ta
=
− (Rthj−c + Rthc−r )
PDissipee
150 − 25
=
− (3 + 0, 5) = 11, 56◦ C/W
8, 3
Un modèle basique pour boîtier TO220 ne suffira pas. Des modèles comme le WA
361-2 de Schaffner ( à la limite) ou SK104 38,1 de Fisher conviennent.
2.4.3 Conclusion
Les calculs ont permis de déterminer un dissipateur par régulateur. Les modèles
proposés sont montés sur chaque boîtier. Une autre solution serait d’utiliser un
dissipateur commun associé à des feuilles de Mica pour les isoler les uns des autres.
Le calcul n’est pas aussi direct car la puissance dissipée est différente selon les
régulateurs. Heureusement, les caractéristiques des boîtiers sont les mêmes, sinon
cela serait encore plus délicat. Nous allons calculer la puissance totale à dissiper,
la répartir sur les 4 régulateurs et l’appliquer à la formule de calcul de résistance
thermique Rthr−a :
PDissipee = 2 × Palimentationvariable + Palimentationf ixe + Palimentationvariable
PDissipee
= 2 × 7, 11 + 4, 6 + 8, 3 = 27.12W
PDissipee
=
N breregulateurs
2.5. RÉGULATEUR VARIABLE
11
27, 12
= 6, 78W
4
Tj − Ta
=
− (Rthj−c + Rthc−r )
PDissipee
150 − 25
=
− (3 + 0, 5)
6, 78
= 14, 94◦ C/W
=
Rthr−a
D’où les 2 solutions possibles :
1. Un radiateur par régulateur :
– Deux radiateurs de 14,08◦ C/W pour l’alimentation symétrique +/- 12V ;
– Un radiateur de 23,7◦ C/W pour l’alimentation fixe +5V ;
– Un radiateur de 11,56◦ C/W pour l’alimentation variable 1,25-5V.
2. Un radiateur commun de 14,94◦ C/W associé à des feuilles de Mica et de
pâte thermique pour l’isolation.
Attention, les radiateurs à utiliser ont soient une résistance thermique de valeur
égale à celle calculée ou inférieure, mais pas supérieure, sous peine de destruction
des régulateurs.
Les différentes possibilités de dissipation étant calculées, passons au calcul des
composants autour du régulateur variable.
2.5
Régulateur variable
Afin de pouvoir ajuster le régulateur variable entre 1,25 et 5V, un potentiomètre
est nécessaire, selon le schéma 2.1. Les formules données pour le régulateur LM317
sont :
µ
Vout
R2
¶
R2
= VREF × 1 +
avec VREF = 1, 25V
R1
¶
µ
Vout
− 1 avec VREF = 1, 25V
= R1 ×
VREF
(2.15)
(2.16)
(2.17)
Afin d’ajuster le régulateur pour fonctionner dans la plage 1,25V-5V, posons les
deux équations à résoudre pour obtenir la valeur des résistances, sachant que R1
est fixe et R2 variable :
µ
R2min
R2min
Voutmin
−1
VREF
¶
µ
1, 25
−1
= R1 ×
1, 25
= 0Ω
= R1 ×
¶
CHAPITRE 2. CALCUL DES COMPOSANTS
12
F IG . 2.1 – LM317 : Schéma classique d’utilisation
µ
R2max
R2max
Voutmax
−1
VREF
¶
µ
5
−1
= R1 ×
1, 25
= 3 × R1
¶
= R1 ×
A partir de ces résultats, il suffit de poser arbitrairement R1 pour obtenir R2 .
D’après les données constructeur, la résistance R1 devrait être de quelques centaines d’ohms. Les potentiomètres étant disponibles avec des valeurs très restreintes
1 ; 2,2 ; 4,7, la solution la plus simple est de prendre un potentiomètre R2 = 1kΩ
et une résistance R1 = 1000/3 = 330Ω.
Les composants autour du régulateur variable étant déterminés, passons au filtrage de sortie.
2.6 Filtrage de sortie
En s’appuyant sur les données constructeur des régulateurs, le condensateur de
sortie peut être soit :
– De type tantale et de valeur C2 = 1µF ;
– De type électrolytique et de valeur supérieure ou égale à C2 = 25 ≈ µF .
La formule empirique de calcul du condensateur électrolytique de sortie est :
Csortie = 100µF × ISortiemax
(2.18)
Afin de répondre aux appels rapides ou lents de la charge, chaque réguleur sera
donc muni d’un condensateur de 100µF 35V électrolytique associé à un condensateur de 100nF de type plastique.
Abordons maintenant les protections possibles.
2.7. PROTECTION
2.7
13
Protection
Afin de protéger les alimentations et les régulateurs, plusieurs techniques existent :
– Une protection contre les surtensions induitent par la charge ;
– Une protection contre une tension négative provenant de la charge.
Commençons par la surtension.
2.7.1
Surtensions
La protection contre une surtension peut être provoquée par la charge, par
exemple à cause d’une charge capacitive.
Cette fonction correspond à une diode entre l’entrée et la sortie de chaque régulateur, cathode vers l’entrée. Le fonctionnement est très simple. Lorsque l’alimentation est en fonctionnement normal, la tension de sortie est plus faible que la
tension d’entrée. La diode D est donc bloquée. Par contre, si la tension de sortie
grimpe, la diode peut devenir passante, elle protège alors le ballast qui serait détruit
sinon.
Comme cette alimentation ne servira qu’à alimenter des circuits simples, cette
protection ne sera pas mise en oeuvre.
Passons ensuite à la protection contre une tension négative.
2.7.2
Charge négative
La protection contre une tension négative peut être provoquée par la charge,
par exemple à cause d’une charge inductive.
Cette fonction correspond à une diode entre la sortie et la masse de chaque
régulateur, cathode vers la sortie. La protection consiste en une diode qui sera passante quand la tension en sortie sera inférieure ou égale à -0,7V.
Les composants les plus sensibles à ce problème sont les condensateurs polarisés.
2.7.3
Conclusion
En conséquence, seule la protection contre une charge négative sera utilisée.
Chaque régulateur recevra une diode 1N4001, prévue pour un courant de 1A, entre
la sortie et la masse.
Passons maintenant aux calculs pour la mise en oeuvre du voltmètre.
2.8
Voltmètre
Pour un galvanomètre, aucun calcul n’est nécessaire puisque celui-ci fonctionne sans alimentation. Il suffit de prendre un modèle mesurant au moins de 0
à 5V continu.
CHAPITRE 2. CALCUL DES COMPOSANTS
14
Dans mon cas, j’ai choisi un voltmètre numérique paramétré pour mesurer
±0 − 20 Volts. Normalement, le voltmètre nécessite une tension d’alimentation
de 9 à 12V. Le voltmètre utilisé s’appuie sur le circuit ICL7106, il peut fonctionner
en +/- 5V. L’alimentation de ce voltmètre se fera donc en ajoutant un régulateur
-5V. Il sera alors relié entre +5 et -5V. La consommation de ces modules est de
quelques mA. Deux calculs seront effectués pour faire fonctionner le voltmètre
numérique :
1. Celui de l’alimentation ;
2. Celui de l’adaptation de l’entrée.
Voici les calculs associés à cette alimentation.
2.8.1 Alimentation -5V pour le voltmètre
Les calculs proposés sont les mêmes que ceux vus précedemment. En conséquence, l’ensemble des formules et résultats vont se succéder sans plus d’explication.
Transformateur Aucun, la tension d’alimentation sera prélevée sur le régulateur
-12V, voir section 2.1 ;
Redressement Aucun, la tension d’alimentation sera prélevée sur le régulateur
-12V, voir section 2.2 ;
Filtrage Aucun, la tension d’alimentation sera prélevée sur le régulateur -12V,
voir section 2.3. Un condensateur plastique de 330nF permettra d’éliminer
les hautes fréquences ;
Dissipation Comme le courant demandé, quelques mA, est très faible, aucun dissipateur n’est requis, voir section 2.4. Par ailleurs, un régulateur -5V en boîtier
TO-92 suffit amplement ;
Filtrage de sortie Comme vu pour l’alimentation symétrique, un condensateur de
22µF 35V associé à un condensateur plastique de 100nF, voir section 2.6.
Le calcul suppose que le voltmètre n’est pas flottant. En conséquence, les mesures
sont très limitées.
Une solution alternative consiste à utiliser un module DC-DC permettant de
générer une tension continue isolée galvaniquement depuis une autre source de
tension continue (+12V ou +5V). Ces modules coûtent plus de 10 Euros, mais
simples à mettre en oeuvre.
Les voltmètre numériques proposés dans le commerce permettent de mesurer
des tensions de ±200mV . Une adaptation s’impose.
2.8.2 Entrée pour le voltmètre
Les modèles de voltmètres vendus permettent de mesurer une tension comprise
entre -200mV et +200mV. Comme la tension fournie par l’alimentation variable
peut aller jusqu’à 5V, un pont diviseur de tension d’un rapport 1/100 est requis.
2.8. VOLTMÈTRE
15
Enfin, une protection par diode peut être utilisée, en mettant deux diodes tête-bêche
afin de limiter la tension à mesurer entre ±0, 7V olts, schéma 2.2, non utilisée
ici puisque nous connaissons l’amplitude de la tension à mesurer. Le rapport de
F IG . 2.2 – Voltmètre : Entrée avec protection
division se calcule, par rapport aux composants du schéma 2.2, de cette manière :
VV oltmetre = VE ×
R2
R1 + R2
(2.19)
Donc, dans le cas présent, la tension d’entrée devra être divisée par 100 :
R2
R1 + R2
= R1 + R2
100 =
100 × R2
R1 = 99 × R2
Des résistances à 1% sont les mieux adaptées pour réaliser cette adaptation. En
prenant R1 = 10kΩ, R2 = 101, 0101Ω, le rapport 1/100 est obtenu. En mettant
en série une résistance de 100Ω et une de 1Ω, une erreur infime est commise par
rapport aux résistances de tolérance 1%.
2.8.3
Conclusion
Deux cas se présentent :
1. L’utilisation d’un galvanomètre ne demande aucun composant supplémentaire. Il suffit de choisir un modèle adapté ;
2. Le choix d’un voltmètre numérique demande une alimentation supplémentaire de -5V, section 2.8.1 et une adaptation en entrée, section 2.8.2.
L’ensemble des calculs pour la mise en oeuvre d’un voltmètre numérique est maintenant fait.
16
CHAPITRE 2. CALCUL DES COMPOSANTS
2.9 Conclusion
Après avoir balayer l’ensemble des calculs pour déterminer les composants,
nous arrivons au schéma général, figure 2.3.
Bien entendu, les calculs proposés s’appuyent sur le transformateur en ma possession. Mais, les formules étant proposées et appliquées à un cas concret, il est
enfantin de les appliquer à vos souhaits - en restant dans les limites des régulateurs. Par conséquent, passons à la réalisation de ce montage.
2.9. CONCLUSION
F IG . 2.3 – Alimentation multiple : Schéma final
17
18
CHAPITRE 2. CALCUL DES COMPOSANTS
Chapitre 3
Réalisation
3.1
Choix du boîtier
Afin de réaliser ce montage permettant de faire des expérimentations, un boîtier
type pupitre est le plus adéquat, figure 3.1. Le modèle RA3 de Retex semble le
mieux adapté. Ses dimensions sont :
– Longueur= 260mm ;
– Largeur totale= 185mm ;
– Hauteur totale= 117mm ;
– Largeur partie supérieure= 50mm ;
– Largeur partie inférieure= 100mm.
Ainsi, il sera possible d’avoir sur la partie supérieure1 :
– La borne +12V ;
– La borne +5V ;
– La borne -12V ;
– La borne GND ;
– La borne pour la tension variable ;
– Le potentiomètre de réglage de la tension variable ;
– Le voltmètre.
Sur la partie inférieure, il sera donc possible de placer des platines d’essai. Des
bandes doubles pourraient être directement reliées aux différentes alimentations.
En conséquence, voici le circuit imprimé.
3.2
Circuit imprimé
– Le schéma à la base du circuit imprimé 3.2 ;
– L’implantation des composants, figure 3.3 ;
– Le typon vu côté composants, figure 3.4. Le texte devra apparaître lisible
côté soudure.
1
Il serait préférable de laisser un peu de place sur la droite du panneau pour des ajouts futurs.
19
CHAPITRE 3. RÉALISATION
20
+12V
Voltmètre
+5V
-12V
GND
+1,25 - 5V
Platines
d’essai
F IG . 3.1 – Boîtier : Type et implantation
Pour réaliser ce circuit imprimé, il suffit d’imprimer le typon, figure 3.4, sur un
transparent à l’échelle 1. Ensuite, tout magasin d’électronique pourra réaliser ce
circuit sans peine.
3.3 Liste des composants
Trouvez, tableau 3.1, la liste des composants et accessoires pour construire
cette alimentation multiple.
3.4 Perçage, soudure, tests
Une fois en possession du circuit imprimé et des composants, voici les étapes
successives pour réaliser et tester2 cette carte :
1. Vérifier qu’aucun court-circuit n’éxiste entre les pistes.
2. Percer les trous pour installer les composants et fixer la carte :
– Forêt de 0,8mm pour les composants classiques ;
– Forêt de 1 ou 1,2mm pour les picots, les diodes, condensateurs de découplage, les borniers, ... ;
– Forêt de 3mm pour les trous de fixation.
3. Etamer la carte :
2
Lors de la phase de soudure et test, nettoyer et vérifier bien qu’aucun résidu de soudure ne va
courcircuiter et détruire la carte lors de chaque mise sous tension.
3.4. PERÇAGE, SOUDURE, TESTS
F IG . 3.2 – Circuit imprimé : Schéma
21
22
CHAPITRE 3. RÉALISATION
F IG . 3.3 – Circuit imprimé : Implantation des composants
3.4. PERÇAGE, SOUDURE, TESTS
F IG . 3.4 – Circuit imprimé : Typon, vue côté composants
23
CHAPITRE 3. RÉALISATION
24
Référence(s)
D1 . . .D6
C1
C2 ,C3
C7 . . .C10
C16
C4 . . .C6 , C15
C11 . . .C14 ,C17
P1
R2
R3
R4−1
R4−2
U1
U2
U3
U4
U5
U6
BO_TRANS
Boîtier
Transformateur
Voltmètre
Dissipateur
Bouton
Interrupteur
Connecteur
Nbre
6
1
2
4
1
4
5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
4
1
3
1
1
10
1
1
4
Valeur
1N4001 ou 1N4002
4700µF - 25V
2200µF - 40V
100µF - 25V
22µF - 16V
330nF
100nF
1kΩ
330Ω
10kΩ
100Ω
1Ω
B40 C 3700
LM317
7805
7812
7912
7905
Bornier de 2 jonctions à vis
RA3 - Retex
10V - 2A et 20V - 3A
LCD 3 1/2, 200mV
Résistance thermique 14,5◦ C/W
Feuille de mica
Fiche chassis 4mm noire
Fiche chassis 4mm rouge
Fiche chassis 4mm bleue
Bouton avec flèche
Picots
Marche arrêt 220V
Alimentation 2 pôles + terre
Graisse thermique
Entretoise, vis, . . .
TAB . 3.1 – Nomenclature
Informations
Diode de redressement 1A
Potentiomètre linéaire (A)
1/4W
1/4W, 1%, métallique
1/4W, 1%, métallique
1/4W, 1%, métallique
Pont de diodes 40V 3,7A
En boîtier TO220
En boîtier TO220
En boîtier TO220
En boîtier TO220
En boîtier TO92 ou TO220
Pas de 5mm
Modèle pupitre
Modèle idéal 2x15V - 2A
Modèle alimenté en +/- 5V
Pour boîtier TO220
Sortie masse
Sorties +5V, +12V, tension variable
Sortie -12V
3.4. PERÇAGE, SOUDURE, TESTS
25
– Enlever la couche de protection du cuivre à l’aide d’un chiffon imbibé
d’acétone ou d’alcool ;
– A l’aide d’un chiffon, appliquer de la "pâte à souder" de plomberie sur le
cuivre nu ;
– Déposer une fine couche d’étain à l’aide du fer à souder sur toutes les
pistes du circuit imprimé.
4. Souder les composants3 :
(a) Commencer par l’alimentation +5V et variable :
– Installer le bornier BO_TRANS1, vérifier la tension disponible ;
– Installer le pont de diodes U14 , vérifier la tension disponible ;
– Installer les condensateurs C15 et C4, vérifier la tension au point T8,
entre 13 et 18Volts continu ;
– Installer les composants6 restants à l’exception des régulateurs et du
potentiomètre P1.
(b) Enchaîner avec l’alimentation symétrique de la même façon7 . Les tensions aux points T9 et T10 sont respectivement entre +26 et 36 Volts et
entre -26 et -36 Volts continus.
5. Installer les régulateurs, se référer à la figure d’implantation 4.1 :
(a) U2 : Souder le régulateur. Connecter en "volant" le potentiomètre P1.
Connecter le transformateur au bornier BO_TRANS1 et alimenter le
circuit. Les tensions à vérifier sont entre les bornes :
– T8-T7 : entre 13 et 18V ;
– T4-T7 : entre 1,25 et 5V selon la position de P1 ;
– T1-T7 : 1/100 de la tension mesurée en T4.
(b) U3 : Souder le régulateur, rebrancher le transformateur au bornier BO_TRANS1
et mesurer en T3-T7 +5Volts ;
(c) U4 : Souder le régulateur, rebrancher le transformateur au bornier BO_TRANS2
et mesurer en T9-T7 entre +26 et 36 Volts et T2-T7 +12V ;
(d) U5 : Souder le régulateur, rebrancher le transformateur au bornier BO_TRANS2
et mesurer en T10-T7 entre -26 et 36 Volts et T6-T7 -12V ;
(e) U6 : Souder le régulateur, rebrancher le transformateur au bornier BO_TRANS2
et mesurer en T10-T7 entre -26 et 36 Volts et T5-T7 -5V ;
Si toutes ces étapes sont positives, la carte fonctionne. Félicitations ! La dernière
étape est l’ajout du dissipateur et l’assemblage dans le boîtier.
3
Commencer par les composants les plus petits, les moins fragiles et les moins chers
Attention au sens de montage
5
Attention à la polarité
6
Attention au sens des diodes et à la polarité des condensateurs électrolytiques
7
Faire très attention à la polarité des condensateurs C2, C3, C9, C10 et C16 ainsi que les diodes
D1, D2, D5 et D6
4
CHAPITRE 3. RÉALISATION
26
3.5 Assemblage
Plusieurs étapes successibles vont permettre d’obtenir un résultat parfait :
Préparation de la face avant aluminium – Perçage de la face, voir figure 3.6 ;
– Marquage de la face avec des décalcomanies ou un marqueur indélébile ;
– Préparer cinq câbles de 1-1,5mm souples de 10cm avec d’un côté une
cosse de 5mm et de l’autre une cosse de 2,8mm s’adaptant sur les picots
du circuit imprimé ;
– Installer les bornes et visser chaque câble sur les bornes ;
– Précâbler le voltmètre puis l’installer avec l’enjoliveur.
Le résultat possible est visible sur la photo, figure 3.9. Installer la face avant
sur la partie supérieure du boîtier ;
Installation du transformateur, prise secteur et interrupteur Découper la partie inférieure du boîtier, côté gauche, pour positionner l’interrupteur et la
fiche secteur. Le câblage est visible sur le schéma 3.5, prise secteur, interrupteur. Par ailleurs, selon le transformateur, sa position dans le boîtier sera
différente. Une possibilité est visible sur la photo 3.8. Fixer le transformateur
dans le boîtier ;
Installation du circuit imprimé dans le boîtier Comme visible sur les photos 3.7
et 3.8, la carte s’installe du côté gauche. 2 trous de 3mm sont à percer dans
le fond du boîtier pour fixer la carte. Installer la carte dans le boîtier ;
Préparation du dissipateur L’installation et la préparation du dissipateur dépendra de celui en votre possession. Si vous possédez un modèle comme celui
de la photo 3.8 des trous sur la partie inférieure permettra de la fixer au boîtier, forêt de 2mm et taraud M3. De la même manière, un trou taraudé M3
sera nécessaire par régulateur, d’où 4 trous. Comme la carte est fixée dans
le boîtier, enduire de pâte thermique chaque régulateur, plaquer la feuille de
mica sur chaque régulateur. Mettre de la pâte thermique autour du trou pour
chaque régulateur, le positionner dans le boîtier et le fixer.
Fin d’installation Finir le câblage des différents éléments sur la platine selon le
schéma de câblage 3.5. Monter les parties inférieure et supérieure du boîtier.
Le résultat devrait ressembler à la photo 3.9.
3.6 Conclusion
Si les différentes étapes de réalisation ont été respectées, le résultat devrait être
conforme à la photo 3.9.
Le test de n’importe quel montage est désormais très rapide à mettre en oeuvre
comme le montre la photo 3.9 où une vérification du pilotage d’un relais est en
cours.
3.6. CONCLUSION
27
~220V
+12V
Voltmètre
Masse
+5V
-5V
+5V
Entrée
0V
-12V
1,25-5V
BO_TRANS2
T5
T6
T10
T2
Platine alimentation
multiple
T9
T1
BO_TRANS1
T4
T7
T3
T8
Transformateur
10V - 2A
20V - 3A
P1
fil téléphonique
fil souple, section 1-1,5mm
fil téléphonique
fil souple, section 1-1,5mm
fil téléphonique
fil téléphonique
F IG . 3.5 – Assemblage : Schéma de câblage des éléments
Légende
CHAPITRE 3. RÉALISATION
28
250mm
10mm
15mm
25mm
50mm
23mm
25mm
20mm
8mm
70mm
22mm
3.30
20mm
40mm
10mm
10mm
8mm
Percage des bornes : 6mm
du potentiomètre: 10mm
F IG . 3.6 – Boîtier : Côtes de la face avant
F IG . 3.7 – Alimentation : Photo de l’intérieur du boîtier
F IG . 3.8 – Alimentation : Photo de l’intérieur du boîtier
75mm
3.6. CONCLUSION
F IG . 3.9 – Alimentation : Photo de l’alimentation montée, en marche
29
30
CHAPITRE 3. RÉALISATION
Chapitre 4
Compléments
Brochage des régulateurs intégrés
Voici le brochage des régulateurs intégrés, figure 4.1.
TO220
78XX
Entrée
Sortie
Masse
TO220
79XX
Masse
Sortie
Entrée
TO220
LM317
Réglage
Entrée
Sortie
F IG . 4.1 – Régulateur : Brochage pour boîtier TO220
31
32
CHAPITRE 4. COMPLÉMENTS
Bibliographie
[1] The Debian Team. Debian GNU/Linux – Le Système d’Exploitation Universel.
Distribution libre et gratuite du système d’exploitation GNU/Linux avec de
nombreux logiciels.
[2] Thomas Esser. The teTeX Homepage. Distribution GPL de TEX et LATEX.
[3] Mark A. Wicks. The dvipdfm page. Outil de conversion étendue des fichiers
TEX et LATEX vers PDF.
[4] CA artofcode LLC, Benicia. Ghostscript Homepage. Interpréteur Postscript et
Acrobat Reader permettant de lire, imprimer, convertir.
[5] The Gnome team. GNOME Desktop : homepage. Environnement de travail
avec de nombreux outils.
[6] gEDA Homepage. Logiciels de CAO électronique sous licence GPL.
[7] Thomas Nau. PCB Homepage. Logiciel de conception manuelle de circuits
imprimés électroniques sous licence GPL.
[8] GNU Project and FSF. Site de référence pour les logiciels libres, et du projet
GNU.
[9] Richard M. Stallman. Free Software Foundation. Site de référence pour les
logiciels libres, et du projet GNU.
33
34
BIBLIOGRAPHIE
Table des figures
1.1
Alimentation multiple : Schéma général . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1
2.2
2.3
LM317 : Schéma classique d’utilisation . . . . . . . . . . . . . .
Voltmètre : Entrée avec protection . . . . . . . . . . . . . . . . .
Alimentation multiple : Schéma final . . . . . . . . . . . . . . . .
12
15
17
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
Boîtier : Type et implantation . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuit imprimé : Schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Circuit imprimé : Implantation des composants . . . . . .
Circuit imprimé : Typon, vue côté composants . . . . . . .
Assemblage : Schéma de câblage des éléments . . . . . .
Boîtier : Côtes de la face avant . . . . . . . . . . . . . . .
Alimentation : Photo de l’intérieur du boîtier . . . . . . . .
Alimentation : Photo de l’intérieur du boîtier . . . . . . . .
Alimentation : Photo de l’alimentation montée, en marche
.
.
.
.
.
.
.
.
.
20
21
22
23
27
28
28
28
29
4.1
Régulateur : Brochage pour boîtier TO220 . . . . . . . . . . . . .
31
35
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.