ETUDE D’UNE ALIMENTATION HAUTE TENSION
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°378 de janvier 2013 sous le titre "Etude d’une alimentation haute tension"
Le développement et la mise au point des circuits à tubes nous impose l’utilisation d’alimentations à hautes tensions. Cette étude décrit une alimentation de laboratoire qui délivre un courant de 200 mA sous une tension variable de 40 et 380 Vdc. Très stable, insensible aux variations secteur et de faible résistance interne elle facilitera grandement la tâche des amateurs qui réalisent eux-mêmes leur équipement. Les caractéristiques techniques sont publiées en fin d’article.
Cette alimentation met en œuvre deux modules HT universels qui ont été étudiés dans le n°332 de novembre 2008.
Le principe
Le transformateur principal délivre une tension qui peut varier entre 480 et 410 Vdc suivant le courant demandé et la tension secteur. Les pré-régulateur et régulateur sont deux circuits « ballast », le premier étant fixe, le second contrôlable par une tension externe.
Le pré-régulateur fournit une tension stabilisée à +400 Vdc en tête du circuit de régulation série.
Un amplificateur de tension composé de IC1A et Q1 amplifie une tension de référence variable.
Le gain de cet amplificateur est contrôlé par la contre-réaction opérée par le pont diviseur R13-R15 qui réduit le gain global à 20. La tension de référence varie entre –2,8 et +15 Vdc ce qui correspond à une tension de sortie variable entre +30 et +385 Vdc.
Le transformateur principal délivre une tension qui peut varier entre 480 et 410 Vdc suivant le courant demandé et la tension secteur. Les pré-régulateur et régulateur sont deux circuits « ballast », le premier étant fixe, le second contrôlable par une tension externe.
Le pré-régulateur fournit une tension stabilisée à +400 Vdc en tête du circuit de régulation série.
Un amplificateur de tension composé de IC1A et Q1 amplifie une tension de référence variable.
Le gain de cet amplificateur est contrôlé par la contre-réaction opérée par le pont diviseur R13-R15 qui réduit le gain global à 20. La tension de référence varie entre –2,8 et +15 Vdc ce qui correspond à une tension de sortie variable entre +30 et +385 Vdc.
Le schéma
Schéma
Le transformateur TR2 fournit après redressement et stabilisation deux alimentations symétriques de + et – 24 Vdc. Ces tensions alimentent les circuits de référence, de contrôle et d’alarme (Câblage du transformateur).
La tension de référence est contrôlée par le potentiomètre P1 de 10 kW à 10 tours. Le pont diviseur R3-P1-R4
est calculé pour obtenir +15 Vdc en tête de P1 et –2,8 Vdc au point bas. La tension de référence présente à l’entrée positive de IC1A se retrouve en sortie sous une impédance nulle et pilote la source de Q1. La porte de Q1 reçoit en contre-réaction une portion (1/22ème) du signal de sortie ce qui fixe le gain total du circuit à 20.
Par cette contre-réaction, la tension de sortie est stabilisée entre 0 et 200 mA. Les variations secteur de par la stabilisation du pré-régulateur et de la contre-réaction sont atténuées de 27 dB. Une variation de 220 à 240 Vac produit une différence de +900 mVdc en sortie.
La résistance R12 de 47 W protège les deux modules des court-circuits en sortie. En présence d’un court-circuit, le courant s’emballe et doit provoquer la rupture du fusible F2 de préférence avant le claquage des ballast. Le fusible F2 est un modèle « ultra-fast » de 250 mA. Cette résistance R12 se trouve dans le circuit de contre-réaction et n’a pas d’influence sur la résistance interne de l’alimentation. Cette dernière fait 8 W
Pour un courant en sortie de 200 mA, l’ondulation sur C1 fait 30 Vpp, sur C2 20 mVpp et en sortie 80 µVac.
La résistance R16 de 22 kW - 50 W pré-établit un courant compris entre 2 et 20 mA indispensable à l’établissement d’une tension Vgs stable des ballast.
Les mètres choisis sont des DVM230 et alimentés en + et – 5Vdc. L’affichage de la tension de sortie est ajusté par le potentiomètre P3. Le courant est issu de la tension présente aux bornes de R18.
Cette résistance de 0,22 W développe une tension de 44 mV pour un courant de 200 mA. Le potentiomètre P4 ajuste cette tension pour une lecture de « 200 » sur l’afficheur de courant.
Cette tension est routée vers la broche 6 de IC1B et est comparée à la tension présente en broche 5.
Le potentiomètre P2 règle à 220 mA le seuil de déclenchement du buzzer.
La diode D3 limite la tension à 0,7 Vdc sur R18 en cas de court-circuit et protège l’afficheur de courant.
Les afficheurs DVM230 sont configurés au minimum (gamme 200 mV) et sans point décimal.
Les modules ballast
Les deux ballast sont issus du même schéma que le module HT stabilisée présenté dans l’EP332 de novembre 2008 et publié sur le site de l’auteur.
Le module pré-régulateur est complètement équipé, le régulateur est quelque peu allégé.
Le transistor Q1 est configuré en source de courant. Ce courant de 1 mA développe aux bornes de R3-R4 P1 une tension de +400 Vdc environ. Cette tension après filtrage par la cellule R5-C2 se retrouve à la source de Q2 sous une impédance de quelques Ohms.
Le module régulateur n’est pas équipé de la source de courant mais est piloté directement par le circuit de contrôle.
Les transistors ballast choisis sont des 2SK1120. Ces transistors peuvent dissiper 150 W et supportent une tension de 1000 Vdc. Toutefois cette puissance maximale acceptable est conditionnée à la température de la jonction. C’est pourquoi il importe de bien maîtriser cette température. La figure 7 présente le graphe de la puissance maximale en fonction de la température.
Le ballast du pré-régulateur dissipe un maximum de 5 Watts et sera isolé par un intercalaire simple de type TO247.
Par contre le ballast du régulateur dissipera jusqu’à 75 Watts dans la configuration peu réaliste mais possible d’une sortie de 30 Vdc sous 200 mA. A 75 Watts, la température de la jonction ne peut dépasser 90°C. Ce ballast sera fixé directement sur le bloc alu, et c’est ce dernier qui sera isolé électriquement du dissipateur par un isolant de 85 x 45 mm. L’interface thermique fait 32 cm² et comme la résistance thermique de l’isolant fait 0,08°C/W il est possible de dissiper 120 Watts au maximum … pour autant que le dissipateur reste à 25°C.
La température du dissipateur est contrôlée par un commutateur thermique qui se ferme quand la température dépasse 50 °C et met en service le ventilateur.
Les deux ballast sont issus du même schéma que le module HT stabilisée présenté dans l’EP332 de novembre 2008 et publié sur le site de l’auteur.
Le module pré-régulateur est complètement équipé, le régulateur est quelque peu allégé.
Le transistor Q1 est configuré en source de courant. Ce courant de 1 mA développe aux bornes de R3-R4 P1 une tension de +400 Vdc environ. Cette tension après filtrage par la cellule R5-C2 se retrouve à la source de Q2 sous une impédance de quelques Ohms.
Le module régulateur n’est pas équipé de la source de courant mais est piloté directement par le circuit de contrôle.
Les transistors ballast choisis sont des 2SK1120. Ces transistors peuvent dissiper 150 W et supportent une tension de 1000 Vdc. Toutefois cette puissance maximale acceptable est conditionnée à la température de la jonction. C’est pourquoi il importe de bien maîtriser cette température. La figure 7 présente le graphe de la puissance maximale en fonction de la température.
Le ballast du pré-régulateur dissipe un maximum de 5 Watts et sera isolé par un intercalaire simple de type TO247.
Par contre le ballast du régulateur dissipera jusqu’à 75 Watts dans la configuration peu réaliste mais possible d’une sortie de 30 Vdc sous 200 mA. A 75 Watts, la température de la jonction ne peut dépasser 90°C. Ce ballast sera fixé directement sur le bloc alu, et c’est ce dernier qui sera isolé électriquement du dissipateur par un isolant de 85 x 45 mm. L’interface thermique fait 32 cm² et comme la résistance thermique de l’isolant fait 0,08°C/W il est possible de dissiper 120 Watts au maximum … pour autant que le dissipateur reste à 25°C.
La température du dissipateur est contrôlée par un commutateur thermique qui se ferme quand la température dépasse 50 °C et met en service le ventilateur.
Le secteur
La mise en service de l’alimentation se fait par l’intermédiaire du relais K1. Vous pouvez vous passer de ce relais en utilisant un interrupteur de 230 V – 16A. Le ventilateur est raccordé directement sur le secteur et mis en service par le thermique S2. La masse est raccordée au châssis mais aussi à la masse de la carte.
MISE EN OEUVRE
La mécanique
L’appareil est monté dans un boîtier de 203 x 133 x 280 mm.
Il est impératif de réaliser en premier lieu la partie mécanique en se servant des divers éléments.
La face avant est fabriquée chez Schaeffer. Les photo B, photo C et les figure 9 et figure 10 vous serviront de guide pour la réalisation. Les pieds fournis ne permettent pas une ventilation suffisante et il est recommandé de surélever l’appareil de 10 mm. La carte est fixée par quatre entretoises M3 M-M de 20 mm sur deux profilés aluminium ‘’U’’ de 195 x 10 x 10 x 1 mm. Ces profilés sont fixés sous les cornières du boîtier par des entretoises M-F de 10 mm.
Les cotes publiées aux figures 9 et 10 ne sont pas critiques, aucun élément interne n’est tributaire de la position des perçages des deux faces.
Le circuit imprimé
La carte de base mesure 133 x 95 mm. Typon, photo, implantation des composants,
On insèrera en premier lieu les 31 picots 1,3 mm et les 4 « Faston ». Le reste du montage ne présente pas de difficulté à condition d’utiliser les composants proposés dans la nomenclature.
Il est préférable de tester la carte en dehors du boîtier. Pour ce faire il faut raccorder le petit transformateur T2 et le potentiomètre P1. Vérifier la présence des tensions + et – 24 Vdc, + et – 5 Vdc. Mesurer la tension sur la résistance R6 et vérifier qu’elle varie bien entre –2,8 et +15 Vdc.
Le bloc ballast
Le bloc dissipateur choisi est couplé à un ventilateur de 92 x 92 mm. Il est disponible chez Radiospares sous la référence 158-540.
Le montage du bloc ballast requiert patience, précision et … une foreuse sur colonne.
On marquera avec grande précision l’emplacement des huit perçages pour la fixation des deux blocs alu.
Le pointage - à l’aide d’un pointeau - est indispensable. On vérifiera avant perçage que ces pointages sont rigoureusement centrés par rapport aux trous équipés des canons isolants. Garder en mémoire l’orientation et l’emplacement des blocs alu afin de ne pas les échanger ou les retourner. La tolérance du perçage est de l’ordre du 1/10ème et est impossible à réaliser avec une perceuse à main. Le diamètre de perçage fait 2,5 mm sur une profondeur de 10 mm. Il faut ensuite tarauder le trou pour réaliser les pas de vis M3. Cette opération terminée il faut ébavurer soigneusement les 8 perçages et nettoyer le tout. Il importe qu’il n’y ait pas de limaille coincée entre le bloc alu du régulateur, l’intercalaire et le dissipateur. Vérifier à l’Ohmmètre que le bloc alu est bien isolé du dissipateur.
Il est néanmoins possible d’utiliser un dissipateur passif du type RAD-A4291/100 de dimensions 165 x 100 x 35 mm plus encombrant mais ne nécessitant pas de taraudage des pas de vis. Dans ce cas le thermique de 50°C sera un modèle qui s’ouvre à la température critique et coupera l’alimentation du transformateur principal T1.
Il est également possible de remplacer l’intercalaire du bloc alu de 85 x 45 mm par un intercalaire TO247 isolant le ballast seul mais dans ce cas la puissance du régulateur est limitée à 30 Watts.
Le montage et le placement des cartes sur les blocs alu ne présente pas de difficulté, se référer aux photo F, fixation sur le bloc, photo G, photo H, typon, implantation des composants.
La masse
La masse de la carte est reliée à l’arrière gauche du boîtier (photo B) via la cosse « Faston » marquée « Châssis » située à l’arrière de la carte. En l’absence de cette liaison la carte et les sorties doivent être flottantes. Le pôle négatif (socle bleu) étant via R18 à la masse (socle noir) l’alimentation n’est pas flottante !
Il est possible de rendre flottant le circuit en supprimant la liaison de la masse carte vers le châssis, en raccordant le socle noir non plus à la masse de la carte mais à la masse du châssis et en plaçant une résistance de 100 kW entre les socles noir et bleu.
Mais dans la pratique, il est exceptionnel d’utiliser une alimentation HT dans cette configuration.
Mise sous tension et réglages
En ne raccordant pas le secondaire HT de T1, mettre sous tension et vérifier les alimentations et la tension sur R6 en tournant le potentiomètre P1. Positionner le potentiomètre P1 au minimum pour obtenir environ –2,8 Vdc. Débrancher l’appareil et raccorder le secondaire de T1.
A ce stade il est préférable de mettre sous tension progressivement à l’aide d’un autotransformateur variable.
Sans charge en sortie, la tension sur C1 monte à 450 Vdc environ.
Pour les réglages il est indispensable d’utiliser une résistance de 1500 Ohms - 100 W bien ventilée.
Régler la tension en sortie à l’aide d’un multimètre pour obtenir +300 Vdc et ajuster P3 pour un affichage de 300. Régler la tension de sortie au minimum (+30 Vdc), configurer le multimètre en « Courant » sur la gamme 200 mA et placer ce dernier en série avec la charge du côté négatif. Régler la tension de sortie vers 270 Vdc pour obtenir 180 mA au multimètre et ajuster P4 pour un affichage de 180. Régler ensuite la tension pour obtenir un courant de 220 mA et ajuster P2 pour déclencher le buzzer.
En ne raccordant pas le secondaire HT de T1, mettre sous tension et vérifier les alimentations et la tension sur R6 en tournant le potentiomètre P1. Positionner le potentiomètre P1 au minimum pour obtenir environ –2,8 Vdc. Débrancher l’appareil et raccorder le secondaire de T1.
A ce stade il est préférable de mettre sous tension progressivement à l’aide d’un autotransformateur variable.
Sans charge en sortie, la tension sur C1 monte à 450 Vdc environ.
Pour les réglages il est indispensable d’utiliser une résistance de 1500 Ohms - 100 W bien ventilée.
Régler la tension en sortie à l’aide d’un multimètre pour obtenir +300 Vdc et ajuster P3 pour un affichage de 300. Régler la tension de sortie au minimum (+30 Vdc), configurer le multimètre en « Courant » sur la gamme 200 mA et placer ce dernier en série avec la charge du côté négatif. Régler la tension de sortie vers 270 Vdc pour obtenir 180 mA au multimètre et ajuster P4 pour un affichage de 180. Régler ensuite la tension pour obtenir un courant de 220 mA et ajuster P2 pour déclencher le buzzer.
Les mesures
Sauf indication contraire toutes les mesures sont effectuées à 300 Vdc sur une charge de 1500 W , pour un courant de 200 mA.
La première mesure concerne le bruit en sortie. La mesure à l’oscilloscope présentée en figure 17 ne montre que … le bruit propre de l’oscilloscope, de l’environnement et ce pour une bande passante de 100 MHz.
Le bruit mesuré au millivoltmètre fait 80 µVac, la mesure à l’analyseur de spectre s’impose.
La figure 18 présente le spectre de 0 à 500 Hz pour un niveau de référence de – 40 dBV. Le niveau moyen des battements harmoniques du 50 Hz se trouve à 90 dB sous 1 V. La figure 19 présente le spectre du bruit dans la bande audio de 0 à 20 kHz pour un niveau de référence de – 40 dBV.
La figure 20 est intéressante car elle montre la stabilité de la tension sortie entre 0 et 50 Hz pour un niveau de référence de – 40 dBV. La mesure est le résultat statistique de l’intégration du bruit pour une fenêtre de 3 Hz et un temps d’intégration de 10 Sec (environ).
Sauf indication contraire toutes les mesures sont effectuées à 300 Vdc sur une charge de 1500 W , pour un courant de 200 mA.
La première mesure concerne le bruit en sortie. La mesure à l’oscilloscope présentée en figure 17 ne montre que … le bruit propre de l’oscilloscope, de l’environnement et ce pour une bande passante de 100 MHz.
Le bruit mesuré au millivoltmètre fait 80 µVac, la mesure à l’analyseur de spectre s’impose.
La figure 18 présente le spectre de 0 à 500 Hz pour un niveau de référence de – 40 dBV. Le niveau moyen des battements harmoniques du 50 Hz se trouve à 90 dB sous 1 V. La figure 19 présente le spectre du bruit dans la bande audio de 0 à 20 kHz pour un niveau de référence de – 40 dBV.
La figure 20 est intéressante car elle montre la stabilité de la tension sortie entre 0 et 50 Hz pour un niveau de référence de – 40 dBV. La mesure est le résultat statistique de l’intégration du bruit pour une fenêtre de 3 Hz et un temps d’intégration de 10 Sec (environ).
Le calcul de la résistance interne se fait en mesurant la différence de tension avec et sans charge.
Pour un courant de 200 mA la DDP fait 1,6 Vdc, la Ri fait 8 W.
Pour un courant de 200 mA la DDP fait 1,6 Vdc, la Ri fait 8 W.
Caractéristiques techniques relevées sur notre prototype.
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- End of text -
Récapitulatif des photos (Haute définition)
