Durant ma vie professionnelle, n’ayant pas toujours eu le temps requis pour construire une alimentation de laboratoire digne de ce nom il m’arrivait de pester lorsque je ne parvenais pas à alimenter correctement tel ou tel bidouillage électronique construit à la va vite un soir pour me détendre et assouvir ma passion de l’électronique. Peu à peu une grande frustration s’installa dans mon esprit. Car au bout du compte, quand on a la passion du bricolage électronique, ce qui compte le plus c’est l’énergie électrique pour alimenter et tester tout les montages improbables que le bidouilleur fou peut concevoir. En faisant le ménage dans mon grenier j’ai, à ma plus grande joie, redécouvert que j’avais accumulé tout un tas de bric à brac contenant en particulier, des transformateurs, des ponts de diodes, des condensateurs, des transistors de puissance, du fil, des câbles, des voyants, des cadrans, des boîtes, des Leds, des lampes, des interrupteurs, des prises, des refroidisseurs, des plaques de circuits sur lesquelles dessouder tout un tas de composants … Bref, de quoi construire des alimentations !!! Alors je n’ai pas construit une seule alimentation mais carrément 8 alimentations électroniques !!!
De la charge Li-Ion simple au concept d’alimentation complète
Typiquement on règle la tension à vide à 3,7 volts, à l’aide du voltmètre, puis on connecte l’accu à charger. Il s’agit d’un chargeur simple pour les cellules Lithium-ion (Li-Ion) et lithium polymère (Li-Pol) avec le circuit intégré bien connu LM317. La charge s’effectue d’abord en mode courant - Tension montante, le courant est constant. Après avoir atteint la tension cible (Umax), le chargeur passe en mode tension lorsque la tension est constante et que le courant se rapproche asymptotiquement de zéro. Au moment où le courant est faible, la cellule est chargée. La tension cible de l’accumulateur Li-ion et Li-Pol est généralement de 4,2 V (pour certains types de 4,1 V).
La tension cible n’est pas la même que la tension nominale. Elle est généralement de 3,7 V (parfois 3,6). La cellule n’a pas besoin d’être chargée au maximum de 4,2 V, car cela diminue sa durée de vie. Lors de l’utilisation des cellules, elles ne doivent jamais se décharger en dessous de 3,4 à 3,3 V. Les cellules Li-ion et Li-pol n’aiment pas être stockées dans un état chargé ou déchargé, elles doivent être stockées partiellement chargées.
Le schéma du chargeur est illustré ci-dessous. Le circuit LM317 sert de stabilisateur de tension. Li-Ion et Li-pol sont assez exigeants sur la précision de la tension de charge. Si vous souhaitez charger à pleine tension (généralement 4,2 V), il est nécessaire d’ajuster cette tension avec une précision de +/- 1%. Les cellules sont très sensibles à la surcharge. Si vous chargez à 90 % de sa capacité (4,1 V), il suffit d’un peu moins de précision (environ 3 %). Le circuit LM317 fournit une stabilisation de tension relativement précise.
La tension cible est réglée par le trimmer P1. Nous le réglons sans connecter la cellule, car la tension cible correspond à la tension de sortie sans charge. La stabilisation du courant n’est pas aussi critique que la tension de stabilisation, il suffit donc de la stabiliser par une résistance shunt et un transistor NPN. Si la chute du shunt Rx atteint environ 0,95 V (la chute de tension totale du transistor NPN B-E et de la diode 1N4007), le transistor commence à s’ouvrir. Cela réduit la tension sur la broche adj et stabilise ainsi le courant. Le courant dépend de la valeur de Rx. Sélectionnez-le en fonction du type de cellule chargée. Pour le courant de charge 200 mA, j’ai utilisé la valeur de 4R7. La valeur de Rx est calculée : Rx = 0,95 / Imax.
Il est bon de connecter un fusible dimensionné de manière appropriée en série avec la cellule pour des raisons de sécurité. La tension d’alimentation doit être comprise entre 9 et 24 V environ. Une tension trop élevée augmente la puissance dissipée du circuit LM317, une tension trop faible ne permettrait pas le bon fonctionnement (il faut compter la chute de tension sur le shunt et la chute de tension minimale pour le circuit intégré). Le circuit LM317 doit être placé sur un dissipateur thermique suffisamment grand. Le chargeur résiste aux courts-circuits en sortie. LM317 dans le pire des cas (court-circuit) dissipe une perte de puissance : P = U × Imax.
Transformer de vieilles alimentations en alimentation de laboratoire
Puis, en naviguant sur le Net je me suis rendu compte qu’il était tout à fait possible et commun, de transformer de vieilles alimentations d’ordinateurs en Alimentations de laboratoire. Or, j’avais au fond de quelque carton, toute une pile de ces alimentations, précieusement récupérées au fil du temps, de génération en génération de démontage et d’obsolescence et qui n’attendaient qu’un coup de baguette magique avec mon fer à souder pour retrouver une seconde jeunesse ! Aussitôt dit , aussitôt fait …
L’intérêt de ces alimentations, c’est que ce sont des alimentations à “découpage” qui par leur principe même évite la surchauffe des circuits par perte dues à l’effet Joule. Autre point positif, elles sont capables de se déconnecter automatiquement en cas de court-circuit. De plus elles fournissent plusieurs tensions continues fixes : 5 volts, 12 volts avec de fortes intensités et -5 volts, - 12 volts, 3,3 volts, et même 9 volts pour certaines. J’en ai donc utilisé et reconfiguré deux, on ne sait jamais ! Génial !
Mais là nous avons affaire à des tensions fixes. Et là j’ai découvert, chez WISH, un kit super intéressant à monter, valant la modique somme de 5 Euros, et qui permet à tout bidouilleur (euse) de réaliser le plus facilement du monde une alimentation de 0 à 30 Volts, 0 à 3 Ampères. J’en ai carrément acheté deux.
Pour commencer, il existe un transformateur secteur abaisseur avec un enroulement secondaire évalué à 24 V / 3 A, qui est connecté aux points d’entrée du circuit par les broches 1 et 2. (la qualité de la sortie des alimentations sera directement proportionnelle à la qualité du transformateur). La tension alternative de l’enroulement secondaire des transformateurs est redressée par le pont formé par les quatre diodes D1-D4. La tension continue prise sur la sortie du pont est lissée par le filtre formé par le condensateur réservoir C1 et la résistance R1.
Le circuit intègre des caractéristiques uniques qui le rendent assez différent des autres alimentations de sa classe. Au lieu d’utiliser un dispositif à rétroaction variable pour contrôler la tension de sortie, notre circuit utilise un amplificateur à gain constant pour fournir la tension de référence nécessaire à son fonctionnement stable. Le circuit fonctionne comme suit: La diode D8 est un zener de 5,6 V, qui fonctionne ici avec son coefficient de température actuel nul. La tension dans la sortie de U1 augmente progressivement jusqu’à ce que la diode D8 soit allumée. Lorsque cela se produit, le circuit se stabilise et la tension de référence Zener (5,6 V) apparaît aux bornes de la résistance R5. Le courant qui passe par l’entrée non inverseuse de l’ampli-op est négligeable. Par conséquent, le même courant circule dans R5 et R6, et, comme les deux résistances ont la même valeur, la tension entre elles en série sera exactement le double de la tension à travers chacun. Ainsi, la tension présente à la sortie de l’amplificateur opérationnel (broche 6 de U1) est de 11,2 V, soit le double de la tension de référence des zéners. Le circuit intégré U2 a un facteur d’amplification constant d’environ 3 X, selon la formule suivante: A = (R11 + R12) / R11, et élève la tension de référence de 11,2 V à environ 33 V.
Une autre caractéristique très importante du circuit est la possibilité de prérégler le courant de sortie maximal pouvant être tiré sur le p.u., le convertissant de manière efficace d’une source de tension constante à une source de courant constant. Pour que cela soit possible, le circuit détecte la chute de tension sur une résistance (R7) connectée en série avec la charge. Le circuit intégré responsable de cette fonction du circuit est U3. L’entrée inverseuse de U3 est polarisée à 0 V via R21. Supposons que, pour une sortie donnée de plusieurs volts, P2 soit réglé de telle sorte que l’entrée du circuit intégré soit maintenue à 1 V. Si la charge est augmentée, la tension de sortie sera maintenue constante par la section de l’amplificateur de tension du circuit. La présence de R7 en série avec la sortie aura un effet négligeable en raison de sa faible valeur et de son emplacement en dehors de la boucle de réaction du circuit de commande de tension. Tant que la charge est maintenue constante et que la tension de sortie n’est pas modifiée, le circuit est stable. Si la charge est augmentée de telle sorte que la chute de tension sur R7 soit supérieure à 1 V, IC3 est forcé à agir et le circuit passe au mode de courant constant.
La sortie de U3 est couplée à l’entrée non inverseuse de U2 par D9. U2 est responsable du contrôle de la tension et, étant donné que U3 est couplé à son entrée, cette dernière peut annuler sa fonction. Ceci est en fait un moyen de maintenir le courant de sortie constant et est si précis qu’il est possible de prérégler la limite de courant à 2 mA. Le condensateur C8 est là pour augmenter la stabilité du circuit. Q3 est utilisé pour piloter la LED chaque fois que le limiteur de courant est activé afin de fournir une indication visuelle du fonctionnement des limiteurs. Afin de permettre à U2 de contrôler la tension de sortie jusqu’à 0 V, il est nécessaire de prévoir un rail d’alimentation négatif, via le circuit situé autour de C2 & C3. La même offre négative est également utilisée pour U3. Le rail d’alimentation négatif est produit par un simple circuit de pompe de tension qui est stabilisé au moyen de R3 et D7.
Pour éviter des situations incontrôlées à l’arrêt, il existe un circuit de protection construit autour de Q1. Dès que le rail d’alimentation négatif s’effondre, Q1 supprime tout entraînement vers l’étage de sortie. Cela ramène la tension de sortie à zéro dès que le CA est retiré, protégeant ainsi le circuit et les appareils connectés à sa sortie. Pendant le fonctionnement normal, Q1 est bloqué au moyen de R14, mais lorsque le rail d’alimentation négatif s’effondre, le transistor est activé et réduit la sortie de U2. Le circuit intégré a une protection interne et ne peut pas être endommagé en raison de ce court-circuit efficace de sa sortie.
Des boîtes, des ventilateurs, des radiateurs à ailettes, des cadrans, j’en avais encore pas mal. Pour finir, il me fallait du GROS, du LOURD… De quoi charger une batterie de voiture vite fait bien fait. De quoi tirer au moins 20 Ampères sous 12 volts. Le précédent circuit voit cependant sa tension chuter fortement en cas de charge importante, de l’ordre de plus d’un volt. Bon allez, je n’y tiens plus, je fabrique une 9ème alimentation !!!
Celle-ci devra de surcroit être protégée contre l’échauffement des circuits. On arrête pas le progrès … Le secret : l’utilisation du régulateur LM 338 qui tient 5 Ampères et qui est bien plus puissant que le LM 317 qui ne supporte pas plus de 1,5 Ampère. On trouve ce circuit à 1 Euro pièce, encore une fois ce n’est pas la ruine … Ce régulateur est totalement protégé contre les court-circuits et l’échauffement, ce qui n’est pas le cas des transistors 2N 3055. Ouh là là qu’est-ce que je me suis régalé !!!
Là, maintenant je crois que je suis vraiment sevré de mon désir inextinguible de construire des Alimentations électroniques ! Mais au fait, pour aller avec tout ça, que je vais bien pouvoir construire maintenant ???
Symboles schématiques et langage du câblage
Les symboles de câblage schématique sont le langage d'un circuit en électronique et en génie électrique. Ils offrent un raccourci visuel rapide qui permet aux ingénieurs de mieux comprendre comment un circuit est construit. Non seulement ils révèlent le flux de courant et la chute de tension à travers un composant particulier du circuit, mais ils sont également essentiels pour la lecture, la conception et l’intégration de systèmes électroniques. Les diagrammes schématiques sont utilisés partout. Les informations graphiques fournissent des explications simples sur le fonctionnement et le comportement du système. Les symboles de schématique permettent aux ingénieurs et aux électriciens de comprendre et de travailler sur des circuits complexes.
Symboles schématiques courants : Guide rapide. Êtes-vous prêt à découvrir une multitude de composants de circuits ? Voici quelques-uns des symboles schématiques standardisés pour divers composants :
Les symboles électriques et électroniques sont presque omniprésents dans l’ingénierie contemporaine. Les symboles de schéma électrique permettent à un concepteur de remplacer de longues descriptions par des graphiques normalisés sur un dessin, rendant ainsi le dessin moins verbeux, plus facile à lire et plus fonctionnel. Comprendre le Schéma Exemple : Dans ce circuit, nous avons utilisé un régulateur de tension LM317 et un MOSFET IRLZ44N pour illustrer l’utilisation des symboles de câblage schématique afin de représenter les composants électriques reliés entre eux. Chaque appareil/symbole dans le schéma représente ce que fait le composant et comment il se connecte aux autres composants, de la même manière que les lettres (ou symboles) sont utilisées dans d'autres langues pour créer des mots et/ou des phrases.
1. Symboles de Source d'Alimentation et de Masse. Le symbole de la ligne longue et de la ligne courte représente la batterie (B1), la source d'alimentation. Le symbole du triangle inversé représente la masse (GND). 2. Le Régulateur de Tension (LM317). La boîte avec U1 imprimée à l’intérieur est le symbole d'un régulateur de tension. Il a 3 broches : VIN, VOUT et ADJ. La tension de sortie est régulée par les résistances R4 et R5, avec un filtrage assuré par C1.
3. Section Indicateur (LED et Résistance). LED1 est désigné comme une diode électroluminescente et R3 limite le courant pour la LED.
4. MOSFET comme Interrupteur. Le symbole Q1 représente un MOSFET à canal N qui s’allume quand le signal KEY1 est appliqué, permettant au courant de circuler.
Le reste du texte décrit comment lire un schéma, les réseaux, nœuds et étiquettes, et l’importance de ces symboles pour la conception et la communication dans l’ingénierie. Il montre aussi des cas concrets d’organisation de circuits et d’architectures variées pour des alimentations à découpage et linéaires, ainsi que les concepts de régulation et de protection contre les courts-circuits et surtensions.
Impact des outils modernes sur la conception d’alimentations
Les symboles schématiques et les outils de CAO, dont Altium Designer, facilitent la conception, la simulation et l’intégration des circuits d’alimentation. L’éditeur de schémas intègre un simulateur capable d’évaluer la fonctionnalité et de simuler instantanément des circuits. L’éditeur de PCB permet d’importer le schéma dans une mise en page, et Altium propose des fonctionnalités pour la fabrication, les nomenclatures et les fichiers Gerber. L’approche intégrée améliore la productivité et la fiabilité des alimentations, que ce soit pour des projets de labo, des alimentations embarquées ou des systèmes industriels.
Tableau récapitulatif des notions clés
| Éléments | Rôle | Exemples |
|---|---|---|
| LM317 | Stabilisateur de tension | Régulation de sortie en charge |
| LM338 | Régulateur haute puissance | Alimentation de forte puissance |
| Transfos/Redresseurs | Conversion AC-DC | Pont de diodes, filtres C1, R1 |
| Conception à découpage | Évite perte Joule | Alimentations ATX, modules SMPS |
| Protection | Courant, surtension, court-circuit | TL431, optocoupleurs, MOSFETs |
Quel que soit le design choisi, l’objectif reste le même : garantir une tension et un courant stables, adaptés au montage à tester, tout en assurant la sécurité et la fiabilité du système. L’utilisation d’outils modernes et de concepts de topologie (buck, boost, buck-boost) permet de passer d’un concept simple à une alimentation prête pour la fabrication et l’intégration dans des systèmes plus complexes.
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