Alimentation ajustable 9

Caractéristiques principales

Tension : +1.5 V à +18 V
Courant : 1 A, avec limitation ajustable
Régulée : Oui

Cette alimentation est une version "mise à jour" de l'alimentation ajustable 3. Elle dispose tout comme son ancêtre d'un réglage de la tension de sortie (ce qui est heureux pour une alimentation ajustable), mais aussi d'une limitation du courant de sortie, à une valeur que vous pouvez spécifier. Comme la partie régulation de tension est rigoureusement identique à celle de l'alimentation ajustable 3, seule la partie limitation de courant sera abordée ici.

Schéma

Le schéma suivant représente l'alimentation dans sa presque totalité, il n'y manque que le transformateur et le pont de diode, dont vous devez désormais avoir une vague idée de l'apparence physique.

alim_ajust_009

Nous allons donc nous intéresser à la partie électronique qui se situe à gauche du 
régulateur de tension U1 de type LM317, et dont le rôle est de mesurer et de limiter le courant de sortie.

Mesure du courant débité

La mesure d'un courant peut s'effectuer de différentes façons, celle retenue ici est la plus simple, qui consiste à mesurer la tension développée aux bornes d'une résistance placée en série dans la ligne positive de l'alimentation. Le courant qui circule dans une résistance provoque en effet une chute de tension directement proportionnelle, selon la célèbre formule U = R * I, de laquelle nous pouvons tirer une autre formule tout aussi simple qui est I = U / R. Afin de ne pas affaiblir la tension de sortie, le "prélèvement" est effectué en amont du régulateur de tension et non en sortie. En procédant ainsi, le courant mesuré est celui absorbé par la charge auquel s'additionne le courant absorbé par le régulateur lui-même. Ce dernier, de quelques mA seulement, est considéré ici comme négligeable et sera tout bonnement ignoré. La valeur de la résistance shunt, physiquement constituée de R2 // R2' (R2 et R2' câblées en parallèle), est dictée par deux impératifs :

- la limitation de courant doit pouvoir s'échelonner sur une plage comprise entre 100 mA et 1 A, 

- la tension chutée doit être au moins égale à 0,6 V pour pouvoir déclanche le circuit de protection.

Comme la chute de tension aux bornes de la résistance shunt est proportionnelle au courant débité, on doit prendre le cas où la tension est minimale, c'est à dire quand le courant est minimal. Ainsi, si on veut disposer d'une chute de tension de 0,6 V pour 100 mA, la résistance shunt doit avoir une résistance de 6 ohms au minimum (R = U / I = 0,6 / 0,1). Bien sûr, la tension chutée sera supérieure pour un courant supérieur, mais il est plus simple d'atténuer une tension que de l'amplifier. Nous adoptons pour cette raison une résistance de 6 ohms, obtenue par la mise en parallèle des deux résistances R2 et R2' de 12 ohms chacune. La puissance maximale dissipée dans ces deux résistances se produit pour un courant total de 1 A, soit 0,5 A dans chacune. Grâce à la formule simple P = R * (I * I), on en déduit que ces résistances devront pouvoir supporter une puissance dissipée de 
P = 6 * 0,5 = 3 W

Remarque : afin que le courant circule de manière égale dans les deux résistances, il faut que leur valeur ohmique diffère peu l'une de l'autre.

Limitation du courant débité

A la base, la limitation de courant est obtenue par la mise en conduction du transistor Q1, dont la jonction Base-Émetteur est directement en parallèle sur la résistance shunt. Il s'agit d'un transistor silicium, dont le seuil de conduction est voisin de 0,6 V. Ce qui signifie qu'il entre en conduction quand la tension aux borne de R2 // R24 atteint 0,6 V, ce qui rappelons-le, correspond à un courant de 100 mA. Oh, j'allais oublier la présence du potentiomètre RV1 ! La base de Q1 n'est pas reliée directement sur R2 // R2', mais y est attachée par l'intermédiaire d'un potentiomètre monté en "doseur". La fonction de ce dernier est très simple : plutôt que de fournir à la base du transistor Q1, une tension qui est exactement celle chutée aux bornes de R2 // R2', on ne lui transmet qu'une portion plus ou moins importante de cette chute de tension. Si le curseur du potentiomètre RV1 est au centre, et parce que RV1 est de type linéaire, la tension transmise à Q1 est moitié moindre de celle chutée sur R2 // R2'. Ce qui signifie que Q1 entre en conduction non pas pour un courant de 100 mA, mais pour un courant double et donc de 200 mA (la chute de tension sur R2 // R2' doit être de 1,2 V pour que la moitié suffise à rendre conducteur Q1). Vous l'avez fort probablement compris, ce potentiomètre permet de régler le courant pour lequel Q1 entre en conduction. Reste maintenant à voir ce qui se passe quand Q1 ne conduit pas et quand il conduit
Quand Q1 ne conduit pas

Q1 ne conduit pas tant que la tension entre sa base (reliée au curseur de RV1) et son émetteur reste inférieure à 0,6 V. Dans ce cas, sa jonction Collecteur-Émetteur reste bloquée (non passante), et on trouve une tension nulle aux bornes de R4. Cette tension nulle, puisqu'elle est inférieure à 0,6 V, n'est pas suffisante pour faire conduire le transistor Q3, qui reste donc lui aussi bloqué.

Quand Q1 conduit
Q1 conduit quand la tension entre sa base (reliée au curseur de RV1) et son émetteur atteint 0,6 V. Dans ce cas, sa jonction Collecteur-Émetteur est établie (passante), et on trouve une tension positive proche de Vin (24 V) aux bornes de R4. Cette tension est plus que suffisante, puisque supérieure à 0,6 V, pour faire conduire le transistor Q3 au travers de la résistance de base R5, qui devient passant à son tour. Q3 passant, sa jonction Émetteur-Collecteur se comporte comme un interrupteur fermé et la tension en sortie du régulateur chute en conséquence, de sorte que le courant de sortie se maintient à une valeur égale à la limite imposée par le circuit de limitation.

Comportement dynamique

Le graphe suivant montre ce qui se passe quand l'alimentation débite un courant allant grandissant, avec une petite pause de 1 seconde entre chaque élévation (cela est obtenu par une série de relais activés les uns après les autres et mettant sur la sortie une charge de valeur ohmique de plus en plus faible). La courbe verte représente la tension de sortie de l'alimentation, et la courbe rouge représente le courant débité.

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Pour les quatre premières élévation de courant, on se trouve en dessous de la valeur de la limitation en courant (fixée ici à environ 200 mA), et l'alimentation délivre ce qu'on lui demande. En revanche, à partir de la cinquième montée et pour les suivante, le courant demandé est supérieur au seuil de limitation : le courant réellement débité est donc limité et la tension de sortie chute.

Limite du système

Le système de limitation de courant mis en oeuvre ici à une limite : en cas de court-circuit franc, le courant débité a une valeur supérieure à celle spécifiée comme limite, et correspond à la limitation interne du régulateur de tension. C'est ce que l'on peut voir sur le graphe précédent, pour le dernier "créneau" de courant, entre la 19ème et la 20ème seconde. Cela s'explique simplement : la limitation de courant consiste à court-circuiter le potentiomètre de réglage de tension de sortie, de sorte que la tension en sortie soit de l'ordre de 1,3 V (tension minimale du régulateur entre sa patte Adjust et sa patte de sortie). La valeur ohmique de la charge à partir de laquelle la limitation de courant ne peut plus rien, est donc définie par la tension de sortie et le courant de sortie limité par le régulateur. Par exemple, avec une charge résistive de 1 ohm, et pour une tension de sortie de 1,25 V (valeur minimale en-dessous de laquelle on ne peut descendre ici), le courant est de 1,25 A, même si la limitation de courant a été fixée à 500 mA. Cela constitue bien évidement une limitation embêtante dans certains contextes d'utilisation, même si en voulant ignorer ce "petit point", on se disait que le cas d'un court-circuit franc n'arrive que quand on a déjà un gros défaut et que l'élément qui en est la cause n'a plus grande raison d'être protégé. Il est à noter que cette limitation du système est lié à l'utilisation d'un régulateur de tension dont la tension de sortie ne peut pas (par construction) descendre en-dessous de 1,25 V. Si on avait employé un régulateur de tension en composants discret (montage classique à diode zener et transistors), nous n'aurions pas ce problème. Bien entendu, il existe d'autres solutions pour assurer une limitation de courant efficace dans tous les cas de figure, même avec un montage basé sur un régulateur de tension de ce type. Vous pouvez aussi vous replier sur un régulateur de tension ajustable avec circuiterie de limitation de courant intégré, tel le L200, comme présenté à la page Alimentation ajustable 5. Pour résumer, le système présenté ici fonctionne bien mais présente une limite qu'il faut connaitre. L'idée première était avant tout de montrer et de détailler une méthode, à vous maintenant de chercher, pour ce montage précis, une solution qui rendrait le système parfait même en cas de court-circuit franc ;-) 

Augmentation du courant de sortie

Il est tout à fait possible de disposer d'un courant de sortie supérieur à 1 A, en utilisant un transformateur, un pont de diodes et un condensateur de filtrage de valeurs adéquates. Le régulateur pourra ainsi être un modèle LM350 pour un courant de sortie max de 3A, ou un modèle LM338 pour un courant max de 5A. Bien sûr, il convient également de modifier la valeur de la résistance shunt qui détermine la chute de tension qui va déclencher le circuit de protection contre les surintensités, afin de ne pas être limité dans des valeurs trop basses (il faudra diminuer la valeur de cette résistance, à vous de voir comment, en fonction de ce qui a été dit précédemment).

Brochage des composants de puissance

Les régulateurs LM317, LM350 et LM338 ont un brochage identique, le remplacement de l'un par l'autre ne pose donc aucun problème. 

LM338
 

Précautions à prendre

Pour un courant max de 1A, on peut se contenter de fil de câblage standard, mais si vous optez pour la version 3A ou 5A, il vous faudra utiliser du câble de plus forte section, et opérer des liaisons électriques d'excellente qualité. Gros câble de rigueur donc, et soudure en quantité sur le circuit imprimé si vous décidez d'en faire un. Une mauvaise soudure causera des problèmes très rapidement, alors soyez très soigneux. 

 

 

 

Accuil