Conception et réalisation d'une alimentation multiple...

Conception et réalisation d’une alimentationmultiple

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 mul-tiple".

Etant en possession du transformateur à l’origine de ce montage, les calculs s’yréfèreront. Mais afin de laisser la possibilité à tout à chacun de le réaliser, le calculdu transformateur adéquat est fourni. De plus les formules étant données, il suffitde remplacer les valeurs . . .

Ce montage est basé sur des circuits régulateurs fixes et variables. Il est donctrès 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. En-

fin, le circuit imprimé sera disponible dans ce document et dans un fichier annexeen 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, distribueret/ou modifier ce document selon les termes de la licence de Documentation LibreGNU (GNU Free Documentation Licence), version 1.1 ou toute version ultérieurepubliée par la Free Software Foundation [9].

i

http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html

Table des matières

1 Conception 11.1 Caractéristiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Calcul des composants 52.1 Transformateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Alimentation symétrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.2 Alimentation fixe et variable. . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Redressement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.1 Alimentation symétrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.2 Alimentation fixe et variable. . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 Filtrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3.1 Alimentation symétrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3.2 Alimentation fixe et variable. . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4.1 Alimentation symétrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4.2 Alimentation fixe et variable. . . . . . . . . . . . . . . . 92.4.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5 Régulateur variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.6 Filtrage de sortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.7 Protection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.7.1 Surtensions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.7.2 Charge négative. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.7.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.8 Voltmètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.8.1 Alimentation -5V pour le voltmètre. . . . . . . . . . . . 142.8.2 Entrée pour le voltmètre. . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.8.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

iii

iv TABLE DES MATIÈRES

3 Réalisation 193.1 Choix du boîtier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2 Circuit imprimé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.3 Liste des composants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.4 Perçage, soudure, tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.5 Assemblage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4 Compléments 31Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Table des figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Chapitre 1

Conception

Cette partie va présenter les caractéristiques, section1.1, choisies pour cetteréalisation. Ensuite, le schéma, section1.2, 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 circuitsanalogiques et numériques. Les amplificateurs opérationnels ont la plupart du tempsbesoin de +/- 12Volts et les circuits numériques de +5Volts. Par ailleurs, une ali-mentation réglable entre 1,25 et 5 Volts sera disponible pour des circuits moinsclassiques.L’alimentation variable pourrait être de 1,25 à 12Volts avec le trans-formateur idéal -celui calculé et non celui que je possède - ;).

Ces différentes alimentations devront pouvoir délivrer 1 Ampère maximumafin 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 ten-sion variable sur la partie verticale et des platines d’essai pour expérimenter diverscircuits sur la partie horizontale, voir l’implantation dans le boîtier, section3.1.

Plus tard, il serait possible d’adjoindre une carte dédiée au numérique pilotéepar ordinateur afin d’étendre les expérimentations. Elle pourrait contenir un micro-

1

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, voicile schéma, figure1.1. Celui-ci se décompose en plusieurs blocs correspondant àchaque tension délivrée.

1.3 Conclusion

Après avoir donné le schéma de principe montrant cinq régulateurs entouréschacun d’à peu près tous les mêmes composants, vient le temps du calcul des com-posants de ce schéma, figure1.1.

1.3. CONCLUSION 3

FIG. 1.1 –Alimentation multiple : Schéma général

4 CHAPITRE 1. CONCEPTION

Chapitre 2

Calcul des composants

Ce chapitre va permettre de calculer et déterminer l’ensemble des composantsintervenant dans ce montage en balayant l’ensemble des fonctions de ce genre deréalisation.

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 esttrès 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 lapuissance P(VA) et rarement le courant. Les formules de base sont :

I =Nbreenroulements × P(V A)

Vnominale(2.1)

U =√

2× Vnominale (2.2)

(2.3)

De plus, à vide, le transformateur présente une tension secondaire plus importanted’un facteur 1,25. Par ailleurs, la tension du réseau électrique est fournit à +/- 10%.Commençons par l’alimentation symétrique +/- 12 Volts.

5

6 CHAPITRE 2. CALCUL DES COMPOSANTS

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’aumoins15Veff . Le courant étant au maximum de 1 Ampère, la puissance apparenteest calculée selon la formule2.1:

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 uncourant maximum de 2A, nous choisirons un transformateur d’au moins9Veff .

2.1.3 Conclusion

Comme souvent, les transformateurs sont disponibles avec deux enroulementsidentiques, il suffit de prendre un modèle délivrant 2 A pour chaque enroulement,selon la formule2.1:

P(V A) = 2× 15× 2 = 60V A

Le transformateur pour les deux alimentations serait de 2x15V - 60VA.La suitedes calculs s’appuieront sur les caractéristiques de mon propre transformateur. Enremplaçant dans les calculs par le transformateur proposé, vous pourrez réaliservotre propre montage, avec, si vous le souhaitez, une tension variable de 1,25 à12V.

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.


Le courant moyen dans les diodes est celui de sortie, soit 1A maximum. Lesdiodes de redressement étant dimensionnées pour cette fonction, le courant depointe ne sera pas calculé. D’où deux diodes pouvant supportées20

√2×1, 25 ' 36

Volts et 1 Ampères.

2.3. FILTRAGE 7


Le redressement double-alternance se trouve tout fait dans le commerce sous lenom de "pont de diodes". Il suffit de choisir ce composant pour supporter10

√2×

1, 25 ' 18 Volts et 2 Ampères. Ce composant étant dimensionné pour cette fonc-tion, 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 sontprévus pour répondre aux éxigences de cette fonction. En conséquence, un pontde diodes B40C3700 pour les alimentations fixe et variable et des diodes 1N4002pour 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 :

Umin = Vefficace ×√

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 = Umin − (V s + VRegulateur + VRedressement) (2.8)

Typeredressement = 2 si simple alternance ou (2.9)

Typeredressement = 1 si double alternance (2.10)

C =ISortie× Typeredressement × 0, 01

∆v(2.11)

D’où les calculs selon les alimentations.


Ce montage utilisant un redressement simple alternance, d’oùTyperedressement =2 et donc les calculs sont :

Umin = 20×√

2× 0, 9 ' 26V olts

∆v = 26− (12 + 2 + 0, 7) = 11, 3V olts

C =1× 2× 0, 01

11, 3= 1770µFarads


La valeur de condensateur la plus proche est2200µF , avec une tension de serviced’au moins 36 Volts, calculé section2.2.1. Il est d’usage d’ajouter un condensa-teur de faible valeur, de type plastique, pour filtrer les fréquences hautes, soit uncondensateur de 330nF.


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 àun condensateur de valeur élevé, est quand∆v est faible soit une tension de sortieélevée et donc la valeur de 5V.

En prenant une valeur de sortie de 12V et le transformateur 2x15V, la valeurserait identique à l’alimentation symétrique. En effet, le redressement double al-ternance compense le courant de sortie de 2A.

Dans le cas présent, voici les calculs :

Umin = 10×√

2× 0, 9 = 12, 96 (2.12)

∆v = 12, 96− (5 + 2 + 1, 4) = 4, 56 (2.13)

C =2× 0, 01

4, 56= 4386µFarads (2.14)

La valeur de condensateur la plus proche est4700µF , avec une tension de serviced’au moins 18 Volts, calculé section2.2.2. Il est d’usage d’ajouter un condensa-teur de faible valeur, de type plastique, pour filtrer les fréquences hautes, soit uncondensateur de 330nF.

2.3.3 Conclusion

En résumé, pour l’alimentation symétrique, il faudra 2 condensateurs électro-lytiques de2200µF , 40V associés à 2 condensateurs plastique de 330nF. Pour lesalimentations fixe et variable, il faudra un condensateur électrolytique de4700µF ,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 refroi-disseurs pour chaque régulateur. Les formules associées à ce calcul sont adaptéesaux électroniciens. Voici les étapes à enchaîner :

1. Calcul de la puissance dissipée ;

2. Recherche des données constructeur (résistances thermiques et tension dejonction du régulateur) ;

2.4. DISSIPATION 9

3. Calcul de la température de jonction sans radiateur et donc information sursa 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 sensible-ment les mêmes :

Tj = 150CRthj−c = 3C/W

Rthj−a = 50/W

Commençons par l’alimentation symétrique.


Tout d’abord, commençons par le calcul de la puissance maximum dissipée :

PDissipee = (Umax − 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 = 590C

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

PDissipee− (Rthj−c + Rthc−r)

=150− 25

7, 11− (3 + 0, 5) = 14, 08C/W

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.


Comme vu précedemment pour l’alimentation symétrique, le calcul pour lerégulateur fixe 5V est identique. Voici les différents résultats :



= (10×√

2× 1, 1− 1, 4− 4, 56− 5)× 1= 4, 6W


= 50× 4, 6 + 25= 255C Un radiateur est donc indispensable

Rthr−a =Tj − Ta


=150− 25

4, 6− (3 + 0, 5) = 23, 7C/W

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 prendreVSmin dans le calcul de la puissance dissipée :


= (10×√

2× 1, 1− 1, 4− 4, 56− 1, 25)× 1= 8, 3W


= 50× 8, 3 + 25= 440C Un radiateur est indispensable - on s’en doutait un peu !

Rthr−a =Tj − Ta


=150− 25

8, 3− (3 + 0, 5) = 11, 56C/W

Un modèle basique pour boîtier TO220 ne suffira pas. Des modèles comme le WA361-2 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 modèlesproposés sont montés sur chaque boîtier. Une autre solution serait d’utiliser undissipateur 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 lesrégulateurs. Heureusement, les caractéristiques des boîtiers sont les mêmes, sinoncela 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 résistancethermiqueRthr−a :

PDissipee = 2× Palimentationvariable + Palimentationfixe + Palimentationvariable

= 2× 7, 11 + 4, 6 + 8, 3 = 27.12W

PDissipee =PDissipee

Nbreregulateurs

2.5. RÉGULATEUR VARIABLE 11

=27, 12

4= 6, 78W

Rthr−a =Tj − Ta


=150− 25

6, 78− (3 + 0, 5)

= 14, 94C/W

D’où les 2 solutions possibles :

1. Un radiateur par régulateur :– Deux radiateurs de 14,08C/W pour l’alimentation symétrique +/- 12V ;– Un radiateur de 23,7C/W pour l’alimentation fixe +5V ;– Un radiateur de 11,56C/W pour l’alimentation variable 1,25-5V.

2. Un radiateur commun de 14,94C/W associé à des feuilles de Mica et depâte thermique pour l’isolation.

Attention, les radiateurs à utiliser ont soient une résistance thermique de valeurégale à celle calculée ou inférieure, mais pas supérieure, sous peine de destructiondes régulateurs.

Les différentes possibilités de dissipation étant calculées, passons au calcul descomposants autour du régulateur variable.

2.5 Régulateur variable

Afin de pouvoir ajuster le régulateur variable entre 1,25 et 5V, un potentiomètreest nécessaire, selon le schéma2.1. Les formules données pour le régulateurLM317sont :

Vout = VREF ×(

1 +R2

R1

)avecVREF = 1, 25V (2.15)

R2 = R1 ×(

Vout

VREF− 1

)avecVREF = 1, 25V (2.16)

(2.17)

Afin d’ajuster le régulateur pour fonctionner dans la plage 1,25V-5V, posons lesdeux équations à résoudre pour obtenir la valeur des résistances, sachant queR1

est fixe etR2 variable :

R2min = R1 ×(

Voutmin

VREF− 1

)

= R1 ×(

1, 251, 25

− 1)

R2min = 0Ω


FIG. 2.1 –LM317 : Schéma classique d’utilisation

R2max = R1 ×(

Voutmax

VREF− 1

)

= R1 ×(

51, 25

− 1)

R2max = 3×R1

A partir de ces résultats, il suffit de poser arbitrairementR1 pour obtenirR2.D’après les données constructeur, la résistanceR1 devrait être de quelques cen-taines d’ohms. Les potentiomètres étant disponibles avec des valeurs très restreintes1 ; 2,2 ; 4,7, la solution la plus simple est de prendre un potentiomètreR2 = 1kΩet une résistanceR1 = 1000/3 = 330Ω.

Les composants autour du régulateur variable étant déterminés, passons au fil-trage de sortie.

2.6 Filtrage de sortie

En s’appuyant sur les données constructeur des régulateurs, le condensateur desortie peut être soit :

– De type tantale et de valeurC2 = 1µF ;– De type électrolytique et de valeur supérieure ou égale àC2 = 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 seradonc muni d’un condensateur de100µF 35V électrolytique associé à un conden-sateur de100nF de type plastique.

Abordons maintenant les protections possibles.

2.7. PROTECTION 13

2.7 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, parexemple à cause d’une charge capacitive.

Cette fonction correspond à une diode entre l’entrée et la sortie de chaque ré-gulateur, cathode vers l’entrée. Le fonctionnement est très simple. Lorsque l’ali-mentation est en fonctionnement normal, la tension de sortie est plus faible que latension d’entrée. La diode D est donc bloquée. Par contre, si la tension de sortiegrimpe, la diode peut devenir passante, elle protège alors le ballast qui serait détruitsinon.

Comme cette alimentation ne servira qu’à alimenter des circuits simples, cetteprotection 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 chaquerégulateur, cathode vers la sortie. La protection consiste en une diode qui sera pas-sante quand la tension en sortie sera inférieure ou égale à -0,7V.

Les composants les plus sensibles à ce problème sont les condensateurs pola-risés.

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, entrela 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 fonc-tionne sans alimentation. Il suffit de prendre un modèle mesurant au moins de 0à 5V continu.


Dans mon cas, j’ai choisi un voltmètre numérique paramétré pour mesurer±0 − 20 Volts. Normalement, le voltmètre nécessite une tension d’alimentationde 9 à 12V. Le voltmètre utilisé s’appuie sur le circuit ICL7106, il peut fonctionneren +/- 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 dequelques mA. Deux calculs seront effectués pour faire fonctionner le voltmètrenumérique :

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 consé-quence, l’ensemble des formules et résultats vont se succéder sans plus d’explica-tion.

Transformateur Aucun, la tension d’alimentation sera prélevée sur le régulateur-12V, voir section2.1;

RedressementAucun, la tension d’alimentation sera prélevée sur le régulateur-12V, voir section2.2;

Filtrage Aucun, la tension d’alimentation sera prélevée sur le régulateur -12V,voir section2.3. Un condensateur plastique de 330nF permettra d’éliminerles hautes fréquences ;

Dissipation Comme le courant demandé, quelques mA, est très faible, aucun dissi-pateur n’est requis, voir section2.4. Par ailleurs, un régulateur -5V en boîtierTO-92 suffit amplement ;

Filtrage de sortie Comme vu pour l’alimentation symétrique, un condensateur de22µF 35V associé à un condensateur plastique de 100nF, voir section2.6.

Le calcul suppose que le voltmètre n’est pas flottant. En conséquence, les mesuressont très limitées.

Une solution alternative consiste à utiliser un module DC-DC permettant degénérer une tension continue isolée galvaniquement depuis une autre source detension continue (+12V ou +5V). Ces modules coûtent plus de 10 Euros, maissimples à mettre en oeuvre.

Les voltmètre numériques proposés dans le commerce permettent de mesurerdes tensions de±200mV . Une adaptation s’impose.

2.8.2 Entrée pour le voltmètre

Les modèles de voltmètres vendus permettent de mesurer une tension compriseentre -200mV et +200mV. Comme la tension fournie par l’alimentation variablepeut 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-bêcheafin de limiter la tension à mesurer entre±0, 7V olts, schéma2.2, non utiliséeici puisque nous connaissons l’amplitude de la tension à mesurer. Le rapport de

FIG. 2.2 –Voltmètre : Entrée avec protection

division se calcule, par rapport aux composants du schéma2.2, 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 :

100 =R2

R1 + R2

100×R2 = R1 + R2

R1 = 99×R2

Des résistances à 1% sont les mieux adaptées pour réaliser cette adaptation. EnprenantR1 = 10kΩ, R2 = 101, 0101Ω, le rapport 1/100 est obtenu. En mettanten série une résistance de100Ω et une de1Ω, une erreur infime est commise parrapport aux résistances de tolérance 1%.

2.8.3 Conclusion

Deux cas se présentent :

1. L’utilisation d’un galvanomètre ne demande aucun composant supplémen-taire. Il suffit de choisir un modèle adapté ;

2. Le choix d’un voltmètre numérique demande une alimentation supplémen-taire de -5V, section2.8.1et une adaptation en entrée, section2.8.2.

L’ensemble des calculs pour la mise en oeuvre d’un voltmètre numérique est main-tenant fait.


2.9 Conclusion

Après avoir balayer l’ensemble des calculs pour déterminer les composants,nous arrivons au schéma général, figure2.3.

Bien entendu, les calculs proposés s’appuyent sur le transformateur en ma pos-session. Mais, les formules étant proposées et appliquées à un cas concret, il estenfantin de les appliquer à vos souhaits -en restant dans les limites des régula-teurs. Par conséquent, passons à la réalisation de ce montage.

2.9. CONCLUSION 17

FIG. 2.3 –Alimentation multiple : Schéma final

Chapitre 3

Réalisation

3.1 Choix du boîtier

Afin de réaliser ce montage permettant de faire des expérimentations, un boîtiertype pupitre est le plus adéquat, figure3.1. Le modèle RA3 de Retex semble lemieux 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 imprimé3.2;– L’implantation des composants, figure3.3;– Le typon vu côté composants, figure3.4. Le texte devra apparaître lisible

côté soudure.

1Il serait préférable de laisser un peu de place sur la droite du panneau pour des ajouts futurs.

19

20 CHAPITRE 3. RÉALISATION

+12V

-12V

+5V GND

+1,25 - 5V

Platinesd’essai

Voltmètre

FIG. 3.1 –Boîtier : Type et implantation

Pour réaliser ce circuit imprimé, il suffit d’imprimer le typon, figure3.4, sur untransparent à l’échelle 1. Ensuite, tout magasin d’électronique pourra réaliser cecircuit sans peine.

3.3 Liste des composants

Trouvez, tableau3.1, la liste des composants et accessoires pour construirecette alimentation multiple.

3.4 Perçage, soudure, tests

Une fois en possession du circuit imprimé et des composants, voici les étapessuccessives 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 décou-

plage, les borniers, ... ;– Forêt de 3mm pour les trous de fixation.

3. Etamer la carte :2Lors 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 21

FIG. 3.2 –Circuit imprimé : Schéma


FIG. 3.3 –Circuit imprimé : Implantation des composants


FIG. 3.4 –Circuit imprimé : Typon, vue côté composants


Référence(s) Nbre Valeur InformationsD1 . . .D6 6 1N4001 ou 1N4002 Diode de redressement 1AC1 1 4700µF - 25VC2,C3 2 2200µF - 40VC7 . . .C10 4 100µF - 25VC16 1 22µF - 16VC4 . . .C6, C15 4 330nFC11 . . .C14,C17 5 100nFP1 1 1kΩ Potentiomètre linéaire (A)R2 1 330Ω 1/4WR3 1 10kΩ 1/4W, 1%, métalliqueR4−1 1 100Ω 1/4W, 1%, métalliqueR4−2 1 1Ω 1/4W, 1%, métalliqueU1 1 B40 C 3700 Pont de diodes 40V 3,7AU2 1 LM317 En boîtier TO220U3 1 7805 En boîtier TO220U4 1 7812 En boîtier TO220U5 1 7912 En boîtier TO220U6 1 7905 En boîtier TO92 ou TO220BO_TRANS 2 Bornier de 2 jonctions à vis Pas de 5mm

Boîtier 1 RA3 - Retex Modèle pupitreTransformateur 1 10V - 2A et 20V - 3A Modèle idéal 2x15V - 2AVoltmètre 1 LCD 3 1/2, 200mV Modèle alimenté en +/- 5VDissipateur 1 Résistance thermique 14,5C/W

4 Feuille de mica Pour boîtier TO2201 Fiche chassis 4mm noire Sortie masse3 Fiche chassis 4mm rouge Sorties +5V, +12V, tension variable1 Fiche chassis 4mm bleue Sortie -12V

Bouton 1 Bouton avec flèche10 Picots

Interrupteur 1 Marche arrêt 220VConnecteur 1 Alimentation 2 pôles + terre

Graisse thermique4 Entretoise, vis, . . .

TAB . 3.1 –Nomenclature


– Enlever la couche de protection du cuivre à l’aide d’un chiffon imbibéd’acétone ou d’alcool ;

– A l’aide d’un chiffon, appliquer de la "pâte à souder" de plomberie sur lecuivre nu ;

– Déposer une fine couche d’étain à l’aide du fer à souder sur toutes lespistes 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 ten-sions aux points T9 et T10 sont respectivement entre +26 et 36 Volts etentre -26 et -36 Volts continus.

5. Installer les régulateurs, se référer à la figure d’implantation4.1:

(a) U2 : Souder le régulateur. Connecter en "volant" le potentiomètre P1.Connecter le transformateur au bornier BO_TRANS1 et alimenter lecircuit. 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_TRANS1et mesurer en T3-T7 +5Volts ;

(c) U4 : Souder le régulateur, rebrancher le transformateur au bornier BO_TRANS2et mesurer en T9-T7 entre +26 et 36 Volts et T2-T7 +12V ;

(d) U5 : Souder le régulateur, rebrancher le transformateur au bornier BO_TRANS2et mesurer en T10-T7 entre -26 et 36 Volts et T6-T7 -12V ;

(e) U6 : Souder le régulateur, rebrancher le transformateur au bornier BO_TRANS2et mesurer en T10-T7 entre -26 et 36 Volts et T5-T7 -5V ;

Si toutes ces étapes sont positives, la carte fonctionne. Félicitations ! La dernièreétape est l’ajout du dissipateur et l’assemblage dans le boîtier.

3Commencer par les composants les plus petits, les moins fragiles et les moins chers4Attention au sens de montage5Attention à la polarité6Attention au sens des diodes et à la polarité des condensateurs électrolytiques7Faire très attention à la polarité des condensateurs C2, C3, C9, C10 et C16 ainsi que les diodes

D1, D2, D5 et D6


3.5 Assemblage

Plusieurs étapes successibles vont permettre d’obtenir un résultat parfait :

Préparation de la face avant aluminium – Perçage de la face, voir figure3.6;– 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 picotsdu 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, figure3.9. Installer la face avantsur la partie supérieure du boîtier ;

Installation du transformateur, prise secteur et interrupteur Découper la par-tie inférieure du boîtier, côté gauche, pour positionner l’interrupteur et lafiche secteur. Le câblage est visible sur le schéma3.5, prise secteur, inter-rupteur. Par ailleurs, selon le transformateur, sa position dans le boîtier seradifférente. Une possibilité est visible sur la photo3.8. Fixer le transformateurdans le boîtier ;

Installation du circuit imprimé dans le boîtier Comme visible sur les photos3.7et 3.8, la carte s’installe du côté gauche. 2 trous de 3mm sont à percer dansle fond du boîtier pour fixer la carte. Installer la carte dans le boîtier ;

Préparation du dissipateur L’installation et la préparation du dissipateur dépen-dra de celui en votre possession. Si vous possédez un modèle comme celuide la photo3.8des trous sur la partie inférieure permettra de la fixer au boî-tier, forêt de 2mm et taraud M3. De la même manière, un trou taraudé M3sera nécessaire par régulateur, d’où 4 trous. Comme la carte est fixée dansle boîtier, enduire de pâte thermique chaque régulateur, plaquer la feuille demica sur chaque régulateur. Mettre de la pâte thermique autour du trou pourchaque régulateur, le positionner dans le boîtier et le fixer.

Fin d’installation Finir le câblage des différents éléments sur la platine selon leschéma de câblage3.5. Monter les parties inférieure et supérieure du boîtier.Le résultat devrait ressembler à la photo3.9.

3.6 Conclusion

Si les différentes étapes de réalisation ont été respectées, le résultat devrait êtreconforme à la photo3.9.

Le test de n’importe quel montage est désormais très rapide à mettre en oeuvrecomme le montre la photo3.9 où une vérification du pilotage d’un relais est encours.

3.6. CONCLUSION 27

T5 T6 T10 T2 T9 T1 T4 T7 T3 T8

BO_TRANS1BO_TRANS2

P1

Voltmètre+5V -5V

MasseEntrée

Transformateur10V - 2A 20V - 3A

Platine alimentationmultiple

+5V

+12V

-12V 1,25-5V

0V

~220V

fil téléphonique

fil téléphonique

fil téléphonique

fil téléphonique

fil souple, section 1-1,5mm

fil souple, section 1-1,5mm

Légende

FIG. 3.5 –Assemblage : Schéma de câblage des éléments


250mm

50mm23mm

25mm

10mm

20mm

10mm

20mm

25mm

10mm

40mm

15mm

22mm

3.3070mm 75mm

8mm

8mm

Percage des bornes : 6mmdu potentiomètre: 10mm

FIG. 3.6 –Boîtier : Côtes de la face avant

FIG. 3.7 –Alimentation : Photo de l’intérieur du boîtier

FIG. 3.8 –Alimentation : Photo de l’intérieur du boîtier

3.6. CONCLUSION 29

FIG. 3.9 –Alimentation : Photo de l’alimentation montée, en marche

Chapitre 4

Compléments

Brochage des régulateurs intégrés

Voici le brochage des régulateurs intégrés, figure4.1.

TO22078XX

Entrée

Masse

Sortie

TO22079XX

Entrée

Masse Sortie

TO220LM317

Réglage Entrée

Sortie

FIG. 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 denombreux 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 fichiersTEX et LATEX vers PDF.

[4] CA artofcode LLC, Benicia.Ghostscript Homepage. Interpréteur Postscript etAcrobat Reader permettant de lire, imprimer, convertir.

[5] The Gnome team.GNOME Desktop : homepage. Environnement de travailavec de nombreux outils.

[6] gEDA Homepage. Logiciels de CAO électronique sous licence GPL.

[7] Thomas Nau.PCB Homepage. Logiciel de conception manuelle de circuitsimprimés électroniques sous licence GPL.

[8] GNU Project and FSF. Site de référence pour les logiciels libres, et du projetGNU.

[9] Richard M. Stallman.Free Software Foundation. Site de référence pour leslogiciels libres, et du projet GNU.

33

http://www.debian.org

http://www.tug.org/teTeX

http://gaspra.kettering.edi/dvipdfm/

http://www.ghostscript.com

http://www.gnome.org

http://www.geda.seul.org

http://bach.ece.jhu.edu/~haceaton/pcb/

http://www.gnu.org

http://www.fsf.org

34 BIBLIOGRAPHIE

Table des figures

1.1 Alimentation multiple : Schéma général. . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 LM317 : Schéma classique d’utilisation. . . . . . . . . . . . . . 122.2 Voltmètre : Entrée avec protection. . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 Alimentation multiple : Schéma final. . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1 Boîtier : Type et implantation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.2 Circuit imprimé : Schéma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3 Circuit imprimé : Implantation des composants. . . . . . . . . . 223.4 Circuit imprimé : Typon, vue côté composants. . . . . . . . . . . 233.5 Assemblage : Schéma de câblage des éléments. . . . . . . . . . 273.6 Boîtier : Côtes de la face avant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.7 Alimentation : Photo de l’intérieur du boîtier. . . . . . . . . . . . 283.8 Alimentation : Photo de l’intérieur du boîtier. . . . . . . . . . . . 283.9 Alimentation : Photo de l’alimentation montée, en marche. . . . 29

4.1 Régulateur : Brochage pour boîtier TO220. . . . . . . . . . . . . 31

35

Conception et réalisation d'une alimentation multiple...

Documents

Transcript of Conception et réalisation d'une alimentation multiple...