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Analyse alimentation 0-30V 2mA-3A d'origine chinoise

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Appareil : Alimentation stabilisée 0-30V, 2mA-3A
Date : années 2010-2020
Marque : Sans marque (kit)

Introduction

En 2021, j'ai décidé de modifier la conception d’une vieille alimentation de laboratoire de marque CDA dont une des voies donnait des signes de faiblesse.

J’ai pris un kit chinois que l’on trouve facilement sous la dénomination « 0-30V 2mA-3A Adjustable DC Regulated Power Supply » et qui coûtait environ 4€ port compris en 2021 (sans le radiateur pour le transistor de puissance ni le ventilateur).

Fonctionnellement, cette alimentation est pleine de promesse. Tensions de sortie stabilisées de 0 à 30V, fonctionnement à courant constant possible, protection contre les court-circuits, etc. Du point de vue de la construction, le kit arrive avec un circuit-imprimé double face à trous métallisés de belle facture.

La réalité est moins joyeuse, du moins, si vous espérez la faire fonctionner aux limites indiquées. Les raisons sont indiquées ci-après.

Pourtant, vous avez trouvé sur le net plusieurs sites d'amateurs en électronique dont les retours semblent satisfaisants. Lorsque vous aurez terminé de lire cet article, vous serez peut-être plus circonspect sur ce que l'on peut lire sur ces sites que je ne citerai pas par compassion. Mais si vous avez creusé un peu le sujet, vous tomberez invariablement sur d'autres sites plus sérieux, mais souvent en anglais, qui expliquent comme je le fais ici les limites de cette alimentation et le fait que telle quelle, elle ne peut pas tenir ses promesses.

Analyse du circuit

Schéma et liste des composants

Le schéma original provient de https://www.electronics-lab.com. il semble ensuite avoir été utilisé par des fabricants chinois pour proposer ce kit. Attention, il existe des variantes dans les kits et certains semblent comporter des erreurs.

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Schéma

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Exemple d'implantation. Peut varier.

Toutes les résistances sont des 1/4 de watt sauf indication contraire.

ComposantLivréSuggestion
D1, D2, D3, D41N5408
D5, D6, D9, D101N4148
D71N4733A 5V1Pour ma part, j'ai mis 4,7V (ce que j'avais en stock) avec pour U1 à U3, des MC34071.
D81N4733A 5V1Remplacer par BZX55C5V6 ou BZX79C5V6
D111N4001Ou 1N4002...7. Diode 1A
D12DEL
Q19014On peut mettre des 2N3904 ou des BC547 (attention, brochage inversé)
Q22SD882On peut mettre un BD139
Q39015On peut mettre des BC556, BC557
Q42SD1047On peut mettre des 2N3772, 2N3055, TIP3055...
U1, U2, U3TLE081A remplacer par TLE2141, MC34071 ou OPA445. Voir modifications à effectuer dans le texte
R12,2KΩ 2W
R282Ω
R3220ΩMettre 0,5W
R44,7kΩMettre 1kΩ
R5, R6, R13, R20, R2110kΩRecalculer R13 selon la tension d'alimentation. Pour ~43V continu, mettre aux alentours de 47kΩ
R70,47Ω 5W
R8, R1127kΩ
R9, R192,2kΩ
R10270kΩDépend de l'ampli-op choisi. En théorie, pour un TLE2141, 1kΩ, pour un MC34071, rien. Normalement, cette résistance doit être reliée à V- et pas à la masse.
R1256kΩ
R1856kΩA recalculer en fonction du courant maximum souhaité. Mettre 80kΩ. Pour ma part, j'ai mis 100k (un peu moins de 2A)
R141,5kΩ
R15, R161kΩ
R1733ΩCertains auteurs recommandent 68Ω
R223,9kΩ
RV1100kΩ lin.Pour OPA445, la valeur recommandée est 100kΩ. Pour un TLE2141, 10kΩ, pour un MC34071, 5kΩ. Toutefois, voir ma réalisation : j'ai laissé 100kΩ car sinon, je n'arrivais pas à régler le 0V.
P1, P210kΩ lin.
C13300µF 50V chimiqueCertains trouvent cette valeur trop faible (se calcule en fonction du courant). Ca se discute...
C2, C347µF 50V chimique
C4100nF plastique
C5220nF plastique
C6, C9100pF céramique
C710µF 50V chimique
C8300pF plastique330pF sur schéma mais pas très grave
RégulateurLM7824Pour le ventilateur. Peut être remplacé mais attention à la tension de service et à la dissipation. Pour ma part, je l'ai supprimé.

Pour commencer, voici une traduction libre de l’explication (un peu verbeuse) écrite par le concepteur de l’alimentation.

« D8 est une diode Zener de 5,6 V. La tension à la sortie de U1 augmente progressivement jusqu'à ce que D8 soit conductrice. Lorsque c'est le cas, le circuit se stabilise et la tension de référence Zener (5,1V~5,6 V) apparaît aux bornes de la résistance R5. Le courant qui traverse l'entrée non-inverseuse de l'ampli-op est négligeable, donc le même courant circule à travers R5 et R6, et comme les deux résistances ont la même valeur, la tension à travers les deux en série sera exactement le double de la tension à travers chacune d’elles. Ainsi, la tension présente à la sortie de l'ampli-op (broche 6 de U1) est de 10,2~11,2 V, soit le double de la tension de référence de la Zener.

L’ampli-op U2 a un facteur d'amplification constant d'environ 3, selon A = (R11 + R12) / R11, et élève la tension de référence de 10,2~11,2 V à environ 30,6~33,6V.

Le potentiomètre ajustable RV1 et la résistance R10 sont utilisés pour ajuster la tension de 0V en compensant la dérive des autres composants du circuit.

Une autre caractéristique de l'alimentation est la possibilité de régler le courant de sortie maximal consommé par la charge en commutant le montage d'une source de tension constante à une source de courant constant. Pour cela, le circuit détecte la chute de tension à travers la résistance R7 qui est connectée en série avec la charge via U3. Son entrée inverseuse est polarisée à 0 V via R21. En même temps, son entrée non-inverseuse peut être ajustée à n'importe quelle tension au moyen de P2.

Supposons que pour une tension de sortie donnée, P2 soit réglé de sorte que l'entrée de U3 soit maintenue à 1 V. Si la charge augmente, la tension de sortie sera maintenue constante par la section d'amplification de tension du montage et le la présence de R7 en série avec la sortie aura un effet négligeable du fait de sa faible valeur et de son emplacement en dehors de la boucle de rétroaction 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 consommation augmente de telle sorte que la différence de potentielaux bornes de R7 soit supérieure à 1 V, U3 agit et le circuit passe en mode « courant constant ». La sortie de U3 est couplée à l'entrée non-inverseuse de U2 par D9. U2 est responsable de la commande de tension et comme U3 est couplé à son entrée, cette dernière peut effectivement annuler sa fonction. Ce qui se passe, c'est que la tension aux bornes de R7 est surveillée et ne peut pas augmenter au-dessus de la valeur prédéfinie (1 V dans notre exemple) en réduisant la tension de sortie de l’alimentation.

Avec ce montage, il est possible de régler la limite de courant à une valeur minimum de 2 mA. C8 est là pour assurer la stabilité du circuit. Q3 est utilisé pour piloter la LED D12 chaque fois que la limitation de courant est activée afin de fournir une indication visuelle.

Afin de permettre à U2 de contrôler la tension de sortie jusqu'à 0 V, il est nécessaire de prévoir une alimentation négative qui est réalisé au moyen du circuit autour de C2 et C3. La même alimentation négative est également utilisée pour U3. Comme U1 fonctionne dans des conditions fixes, il peut être alimenté à partir de l’alimentation principale positive non régulée et de la masse.

L’alimentation négative est produite par une pompe de charge stabilisée au moyen de R3 et D7. Afin d'éviter des situations incontrôlées à l'arrêt, un circuit de protection est construit autour de Q1. Dès que l’alimentation négative s'effondre, Q1 met la base de Q2 à la masse ce qui coupe l’alimentation de Q4 et amène la tension de sortie à 0V, protégeant ainsi la charge connectée à la sortie.

En fonctionnement normal, Q1 est maintenu bloqué au moyen de R14 mais lorsque la tension négative s'effondre, le transistor devient passant et amène la sortie de U2 à l'état bas. Le circuit intégré a une protection interne et ne peut pas être endommagé en raison du court-circuit de sa sortie. »

Les problèmes

Fonctionnement hors tolérance des ampli-ops

Pour fournir une tension démarrant à 0V, il est nécessaire d’alimenter la régulation avec une tension négative par rapport au 0V. Cette tension est générée par une pompe de charge constituée par R1, R2, C1, C2, D5, D6, C3, D7 qui permet d’avoir une tension d’environ -5V (à noter que dans le schéma original, D7 est une Zener de 5,6V. Dans le kit, il s’agit d’une Zener de 5,1V).

Cette pompe de charge nécessite la présente de la tension alternative en entrée. Cela implique que vous ne pouvez pas alimenter cette carte à l’aide d’une tension redressée (au cas où vous voudriez faire un test avec une autre alimentation de laboratoire sauf à disposer d’une alimentation symétrique -5V, 0V, 30V, le -5V étant alors à injecter sur la broche 4 de U3).

Du fait de cette alimentation négative, U3 et U2, des TL081, sont alimentés en 39V (et probablement beaucoup plus à vide) si vous injectez une tension alternative de 24V ce qui dépasse les données constructeur (36V) et qui amène une destruction du circuit à plus ou moins long terme.

Evidemment, avec un peu de chance, l'alimentation peut fonctionner... Pendant quelques temps avant que les TLE081 partent en fumée.

Pour fonctionner de façon sûre, le schéma doit donc être modifié. Avec 24V Alternatif en entrée, vous pouvez envisager d’utiliser des TLE2141 ou MC34071. Pour ma part, j’ai regardé du côté des OPA445 (90V) car la tension délivrée par mon transformateur était aux alentours de 31V alternatif et les tensions d’alimentation maximum des TLE2141 n’étaient pas suffisantes. Cette tension élevée en entrée implique une autre modification que je détaille plus loin.

Dissipation thermique

Autre problème, la puissance dissipée par Q4 (2SD1047) peut allègrement atteindre 90W ou plus si vous envisagez de demander 3A en très basse tension. Ce n’est pas le petit radiateur prévu, même avec un ventilateur, qui sera en mesure de dissiper cette puissance. Pour ma part, je recommande de ne pas dépasser 2A, voire, 1,5A.

Les solutions

Utilisation avec un transformateur de 24 volts alternatifs

Comme indiqué, il est impératif de remplacer les TL081 par des TLE2141 ou des MC34071. De même, il est souhaitable de limiter le courant de sortie à 2A. Il faut recalculer R18 :

R18 = (P2+R17) x (2Vref – VR7aIMax)/VR7aImax Où Vref est la tension de référence de D8. Selon les kits, 5,1V ou 5,6V. Sur mon kit, elle est de 5,1V.

VR7aIMax est la tension aux bornes de R7 au courant maximum. VR7aIMax = R7*Imax = 0,47*Imax. Pour Imax = 2A, VR7aIMax = 0,47*2 = 0,94V

P2 = 10kΩ et R17 = 33Ω soit en tout 10033Ω.

Donc, pour 2A, R18 = 10033 x (10,2-0,94)/0,94 = 98,9k (environ 100kΩ).

Utilisation avec un transformateur délivrant une tension supérieure à 24V

Il faut modifier R13 de façon à ce que le transistor Q2 ne soit pas continuellement passant ce qui bloque le transistor Q4 (et accessoirement, met la sortie de U2 en court-circuit permanent).

R13 est à calculer pour qu’à la tension d’alimentation continue à vide, la différence de tension entre la base de Q2 et la masse soit inférieure à 0,6V. Dans mon cas, R13 valait 47kΩ sachant que ma tension d'alimentation était supérieure à 43V et la tension négative était d'environ 1,5V.

Autres modifications

Plusieurs auteurs signalent d'autres modifications à effectuer. Parmi les plus simples :

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Schéma modifié

Pour les composants marqués d'un point rouge, voir texte.

Avis sur cette alimentation

Si le schéma est intéressant, la construction est plutôt problématique et devient coûteuse si vous devez changer les ampli-op. Si vous ne changez pas ces amplis-op, utilisez un transformateur dont la tension alternative à vide ne dépasse pas 20V. La tension maximum pouvant être délivrée sera alors aux alentours de 25V~27V.

Si vous n’avez pas besoin d’une tension descendant à 0V, je vous suggère d’utiliser le bon vieux LM723 qui permet de réaliser simplement une alimentation allant d’environ 3V à 24V et qui est sans problème. On trouve aussi quelques schémas qui permettent de descendre à 0V.

En pratique, il est actuellement assez rare d’avoir besoin de tensions supérieures à 15V. Si vous faites plutôt des montages logiques (microprocesseurs…), vous aurez surtout besoin de 5V et de plus en plus, de 3V. Pour cet usage, cette alimentation est assez inefficace puisque l’essentiel de l’énergie part en dissipation thermique dans le transistor de sortie.

Bibliographie

On trouve plusieurs sites sur lesquels cette alimentation est décrite avec ses problèmes potentiels et les modifications à y apporter.

En premier lieu, le site du schéma original https://www.electronics-lab.com/project/0-30-vdc-stabilized-power-supply-with-current-control-0-002-3-a/

Une analyse détaillée (en anglais) du fonctionnement de cette alimentation sur http://www.netzener.net/images/portapower/operation-and-maintenance.pdf.

Le site http://www.paulvdiyblogs.net/2015/05/tuning-030v-dc-with-03a-psu-diy-kit.html?m=1 donne plein d’idées de transformations pour améliorer cette alimentation mais au final, l’auteur ne l'utilise plus.

Le site https://www.qsl.net/z33t/dc_0-30v_0-3 A_eng.html signale que certains kits ont une sérigraphie erronée (inversion du sens de certaines diodes en particulier).

La vidéo https://www.youtube.com/watch?v=R2Eny2Yuwgc donne en français une explication très didactique du fonctionnement de l’alimentation, malgré quelques erreurs, en particulier, sur la tension de sortie visée.

Enfin, le forum https://www.eevblog.com/ permet d’avoir un florilège de personnes ayant eu des problèmes avec cette alimentation et donne plein de conseils pour tenter de les résoudre.

Et finalement, la réfection de l'ancienne alimentation

Lorsque j'ai commandé ce kit, je n'avais pas vérifié les tensions de sortie du transformateur de l'alimentations CDA 9230. Problème, il sort environ 31V à vide ce qui donne environ 43V une fois redressé.

Même en mettant des TLE2141 ou des MC34071, j'étais en dehors des tolérances. J'ai souhaité mettre des OPA445 que j'ai commandé sur Aliexpress dans un magasin chinois, les 10 pour 8€. Une affaire lorsque l'OPA445 est plutôt vendu habituellement aux alentour de 8€ à 12€ pièce.

Miroir aux alouettes (l'alouette, c'est moi). Les OPA445 étaient tous défectueux (le litige s'est terminé par un remboursement).

Je me suis donc résigné à mettre des MC34071 qui eux fonctionnent (achetés chez le même vendeur). Mais étant hors limite, j'ai modifié l'alimentation en ajoutant un régulateur LM317HVT (qui tient 60V) afin de générer une tension de l'ordre de 33V pour alimenter la partie régulation de l'alimentation (je ne suis pas le seul à l'avoir fait, voir le site de Paul's Diy electronic).

Effectuez les coupures (bleu) et raccordements (vert) tels que montré ci-dessous et injectez le 33V sur la ligne en vert.

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Modification circuit imprimé

En faisant cette opération, vous disposerez d'une alimentation fonctionnelle et fiabilisée. Il est dommage qu'elle ne soit pas proposée en standard dans les kits chinois.

A noter que j'ai eu des difficultés pour régler le 0V. Dans une première version, j'avais mis 2x1N4148 en série à la place de D7 ce qui me donnait une tension négative de -1,5V. J'avais également mis 10KΩ pour RV1 comme préconisé par le constructeur. Après quelques tatonnements, j'ai remis 100kΩ pour RV1 et j'ai relié le point milieu de RV1 à V- (donc suppression de R10). Avec ces modifications, l'alimentation fonctionne parfaitement.

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Modification schéma. Ajout alimentation auxilliaire

Composants modifiés dans ma version :

ComposantModifiéSuggestion
U1, U2, U3MC34071A la place de TL081
D7BZX55C4V7A la place de 1N4733A 5V1 ou 5V6
R41kΩ
D8BZX55C5V6A la place de 1N4733A 5V1 ou 5V6
R10SuppriméeLe point milieu de RV1 doit être relié à V-
R1347kΩPuisqu'on a ramené la tension à 33V, on doit pouvoir laisser la valeur d'origine (10k). J'ai laissé 47k car je n'avais pas envie de dessouder !
R1768Ω
R18100kΩPour environ 2A
RV2500Ω à 1kΩPeut être remplacé par une résistance de 220Ω. Mais comme je n'étais pas sur que 33V serait suffisant, j'ai préféré mettre un ajustable.

Anecdote : j'ai aussi essayé ce montage avec les TLO81 que j'avais reçu avant de m'apercevoir que leur tension de service n'était pas adaptée. Ils ont donc été alimentés pendant pas mal de temps en 47 volts (pour ceux qui sont reliés au -5V et au +42V) au lieu des 34 volts maximum autorisés avant que je m'aperçoive de ma méprise.

L'alimentation ne fonctionnait pas, non parce que les TL081 ont fumé mais parce que la protection (voir ma remarque sur R13) était constamment active.

J'ai testé plus tard les TL081 que je pensais HS après un pareil traitement : ils étaient toujours fonctionnels... Braves bêtes.

avril 2021

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