Dans cette première partie, nous allons d’abord voir la théorie.
Dans la seconde partie, nous nous attaquerons à la réalisation.
Figure 1 : Photo d’un des prototypes de l’alimentation variable protégée en courant, installé dans son boîtier et prêt à fonctionner.Les alimentations variables ont bien évolué. Autrefois les alimentations stabilisées du marché étaient constituées, comme le montre la figure 2, de deux transistors, un transistor de puissance TR1 piloté par un transistor de faible puissance TR2, maintenant en sortie une tension stabilisée. TR2, qui remplissait la fonction d’amplificateur d’erreur, était relié au curseur du potentiomètre R4, permettant de faire varier la valeur de la tension de sortie. Si, par exemple, R4 était réglé pour obtenir en sortie une tension stabilisée de 12 V et si cette tension, pour une raison quelconque, descendait à 11,5 V, TR2, polarisé par une tension moindre que celle prévue, pilotait la base de TR1 de façon à faire remonter la tension de sortie à 12 V. Si, en revanche, la tension de sortie montait à 12,5 V, TR2, polarisé par une tension supérieure à celle prévue, pilotait la base de TR1 de façon à abaisser la tension de sortie à 12 V.
Aujourd’hui toutes les alimentations stabilisées variables sont technologiquement plus raffinées. TR2, l’amplificateur d’erreur, est en effet remplacé par un circuit intégré, comme le montre la figure 3 : µA723, LM723, MC723, par exemple.
Ce circuit intégré est beaucoup plus sensible que le transistor aux variations de tension, plus précis pour le maintien de la tension de sortie choisie et plus rapide dans l’intervention correctrice éventuelle. Il est en outre en mesure de mieux contrôler le courant délivré en sortie, en le limitant à une valeur paramétrable. En effet, si le courant demandé par la charge dépasse la valeur choisie, l’alimentation abaisse la tension de sortie de telle façon que la valeur du courant ne soit pas dépassée. Le schéma synoptique de la figure 3 vous aide à mieux comprendre les fonctions des différents étages présents au sein d’un LM723 : le coeur du circuit intégré est l’amplificateur d’erreur efficace constitué d’un amplificateur opérationnel doté de deux entrées, une inverseuse – correspondant à la broche 4 et une non inverseuse + correspondant à la broche 5. L’entrée inverseuse 4 est reliée au curseur du potentiomètre R22 utilisé pour faire varier la tension de sortie, comme le montre la figure 4. Si nous tournons ce curseur vers le trimmer R23, nous prélevons en sortie la tension stabilisée maximale et, si nous le tournons vers R3, R4, R5, la tension stabilisée minimale. L’entrée non inverseuse 5 est reliée au curseur du potentiomètre R13, comme le montre la figure 4, utilisé pour déterminer la valeur de tension minimale que nous souhaitons prélever en sortie.
Une extrémité de R13 est connectée à la broche 6 du circuit intégré, sur laquelle se trouve une tension de référence de 7 V environ. En faisant varier la position du curseur de R13 nous faisons simplement varier la valeur de la tension de référence appliquée à l’entrée non inverseuse de l’amplificateur d’erreur. La valeur maximale de la tension de sortie est en revanche déterminée par la position du curseur de R23.
Nous verrons ensuite selon quels critères sont fixées les valeurs maximales et minimales de la tension de sortie.
La tension stabilisée prélevée sur la broche de sortie 10 du LM723 est utilisée pour piloter la base du transistor de moyenne puissance TR1 lequel, à son tour, pilote les bases des trois transistors finaux de puissance TR2, TR3 et TR4. Ces transistors de puissance, que nous avons montés en parallèle, sont des Darlington : bien qu’ayant les mêmes dimensions que des transistors de puissance ordinaires, ils contiennent un transistor de puissance associé à un transistor pilote avec ses résistances de polarisation, comme le montre la figure 5.
Les caractéristiques de ces Darlington sont les suivantes :
TIP142 Darlington type NPN
tension maximale 100 V
courant maximal 7 A
puissance maximale 125 W
Si nous considérons ces caractéristiques, nous voyons que le courant maximal délivré par un seul Darlington est de 7 A. Etant donné que notre alimentation débite un courant maximal de 7 A, vous devez vous demander : pourquoi trois de ces Darlington en parallèle, dont un seul suffirait ? La fin de l’article vous dira pourquoi nous avons ainsi surdimensionné cet étage final.
Le schéma électrique
Après ces explications préliminaires sur le fonctionnement du circuit intégré LM723, nous pouvons maintenant nous consacrer à l’analyse du schéma électrique de la figure 4. Commençons par le transformateur d’alimentation toroïdal T1 : il est pourvu d’un secondaire capable de fournir une tension de 22 V sous un courant de 7 A. Cette tension est redressée par le pont RS1, puis lissée par C5, 10 000 µF, afin d’obtenir à ses bornes une tension continue de :
A cette valeur nous devons cependant ôter la chute de tension causée par les diodes du pont redresseur RS1 : nous avons donc en pratique aux bornes de C5 une tension de 29,5 V.
Cette tension est directement appliquée aux collecteurs de TR2, TR3 et TR4. Elle est également utilisée pour alimenter les broches 11 et 12 de IC2, le fameux LM723, avec une tension stabilisée d’environ 24 V obtenue grâce à la zener DZ1.
Comme l’a montré l’étude du schéma synoptique du 723 (figure 3), le curseur de R22 relié à la broche 4 de IC2 nous permet de faire varier la valeur de la tension de sortie. En tournant ce curseur vers R23 (relié à la masse), nous prélevons à la sortie la tension stabilisée maximale et en le tournant vers R3, R4 et R5, la tension stabilisée minimale. Le trimmer R23 en série avec ce potentiomètre nous permet en revanche de déterminer la valeur de la tension maximale que nous voulons pouvoir prélever en sortie.
Pour déterminer la valeur de la tension minimale que nous souhaitons pouvoir prélever en sortie, nous nous servons du trimmer R13 lequel, comme le montre la figure 4, a son curseur relié à la broche 5 de IC2.
Résumons, le circuit comporte deux trimmers (R13 et R23) et un potentiomètre R22 :
- le trimmer R13 permet de régler la tension minimale de sortie,
- le trimmer R23 de régler la tension maximale disponible en sortie,
- enfin le potentiomètre R22 permet de faire varier la tension de sortie de manière continue entre ces deux valeurs.
Vous vous demandez sans doute à quoi peut bien servir de limiter la valeur de la tension de sortie. Si, par exemple, vous vouliez utiliser ce circuit pour alimenter en permanence un émetteur en 12 V, vous pourriez régler la valeur minimale à 10 V, au moyen de R13 et la valeur maximale à 14 V, au moyen de R23, pour enfin caler la tension de sortie sur 12 V au moyen de R22. Ainsi, vous seriez sûrs que même en cas de manipulation accidentelle du bouton du potentiomètre R22, la tension alimentant l’émetteur ne franchirait pas les limites critiques au-delà desquelles celui-ci ne serait plus en mesure de fonctionner normalement.
Nous prélevons sur la broche 10 du 723 la tension pilotant la base de TR1 lequel, à son tour, pilote les bases de TR2, TR3 et TR4 (dans le paragraphe La puissance de sortie, nous vous expliquerons pourquoi nous avons utilisé trois transistors en parallèle). La tension stabilisée présente sur les trois émetteurs de ces Darlington est prélevée au moyen de trois résistances de puissance de 0,27 ohm 10 W (R3, R4 et R5) pour être appliquée aux bornes de sortie.
Il ne nous reste qu’à expliquer la fonction des deux amplificateurs opérationnels IC1-A et IC1-B, tous deux contenus dans le LM358, comme le montre la figure 6. L’amplificateur opérationnel IC1-B, dont l’entrée non inverseuse est reliée à la sortie émetteur de TR4 et l’entrée inverseuse après R5, est monté en limiteur de courant, de manière à protéger le circuit alimenté et l’alimentation elle-même contre d’éventuels courts-circuits ou surcharges.
Le commutateur S2 à six positions nous permet de choisir parmi ces valeurs maximales de courant :
pos. 2 = valeur max. 1 A environ
pos. 3 = valeur max. 2 A environ
pos. 4 = valeur max. 3 A environ
pos. 5 = valeur max. 5 A environ
pos. 6 = valeur max. 7 A environ
Par conséquent, si nous devons alimenter un circuit électronique consommant un courant de moins de 1 A, nous mettrons le commutateur S2 sur la position 2.
Note : si le courant consommé par la charge dépassait, pour une raison quelconque, le courant maximum sélectionné avec S2, le 723 abaisserait la tension de sortie jusqu’à l’obtention du courant maximum et pas plus, cet événement étant signalé par l’allumage de DL1.
Vous l’aurez compris, l’amplificateur opérationnel IC1-B est donc utilisé pour amplifier les tensions faibles aux extrémités de R5. La formule pour calculer la valeur de tension aux extrémités de R5 quand le courant varie est la suivante :
Note : la valeur de la tension est divisée par 3 car il y a trois Darlington en parallèle et que donc nous ne prélevons la tension que sur un.
Par conséquent aux différentes consommations nous retrouvons aux extrémités de R5 ces valeurs de tension :
2 A = (0,27 x 2) : 3 = 0,18 V
3 A = (0,27 x 3) : 3 = 0,27 V
4 A = (0,27 x 4) : 3 = 0,36 V
5 A = (0,27 x 5) : 3 = 0,45 V
6 A = (0,27 x 6) : 3 = 0,54 V
Cette tension, après avoir été amplifiée par IC1-B, est appliquée à la broche 2 de IC2 et, dès que sa valeur dépasse 0,7 V, la tension présente sur la broche 3 de IC2, le circuit intégré limite automatiquement le courant consommé à la valeur maximale réglée par S2. Si nous changeons la position de S2, nous ne faisons que changer le gain de l’amplificateur opérationnel IC1-B, de façon à obtenir toujours à sa sortie une tension de 0,7 V pour chaque position du commutateur. En outre, au moment où la tension entre la broche 2 et la broche 3 de IC2 atteint 0,7 V, le transistor PNP TR5 entre en conduction et envoie une tension positive sur la broche non inverseuse de l’amplificateur opérationnel IC1-A, ce qui, avec l’allumage de DL1, nous informe de l’entrée en service de la protection.
Par conséquent si un court-circuit se produisait à la sortie, l’alimentation entrerait immédiatement en protection en portant la tension aux niveaux minima et en limitant le courant de sortie à celui choisi avec S2. Une fois le court-circuit éliminé, l’alimentation se remet automatiquement sur la valeur de tension réglée par R22.
Note : supposons que vous ayez réglé par S2 un courant maximum de 1 A, le circuit que vous voulez alimenter ayant une consommation inférieure. Il pourrait arriver que, à la mise sous tension, DL1 clignote une fraction de seconde puis s’éteigne. Ceci est parfaitement normal, car si à l’entrée du circuit à alimenter se trouvent des condensateurs électrolytiques de capacités élevées, ces derniers consommeront un courant élevé au moment initial de leur charge, ce qui explique l’entrée en fonction momentanée de la protection de l’alimentation. Mais, dès que le courant revient au régime normal et redescend en dessous de la limite choisie avec S2, la protection se désactive et, par conséquent, DL1 s’éteint.
Figure 2 : Les premières alimentations stabilisées étaient constituées d’un transistor de puissance TR1, piloté par un transistor de faible puissance TR2, jouant le rôle d’un amplificateur d’erreur.
Figure 3 : Schéma synoptique d’un circuit intégré 723. Pour réaliser un amplificateur d’erreur afin d’obtenir des tensions parfaitement stabilisées, on n’utilise plus un transistor mais des circuits intégrés conçus pour exécuter cette fonction spécifique.
Figure 4 : Schéma électrique de l’alimentation stabilisée variable protégée en courant. S2 permet de choisir la valeur maximale de courant que nous voulons prélever en sortie. Si la valeur est dépassée, DL1 s’allume et la tension de sortie s’abaisse.
Figure 5 : Schéma synoptique et brochage vu de face du Darlington TIP142 (à l’intérieur se trouvent un transistor de puissance, un transistor pilote et leurs résistances de polarisation).
Figure 6 : Schéma synoptique et brochage vu de dessus (repère-détrompeur en U vers la gauche) du circuit intégré LM358 (à l’intérieur se trouvent deux amplificateurs opérationnels). Brochages vu de face du transistor BD139 et de dessous du transistor BC557.Conclusion et A suivre
Dans la seconde partie, nous procéderons à la réalisation pratique et aux réglages de cette alimentation.
2ème partie et fin : La réalisation.
