ALIMENTATION A DECOUPAGE DE TYPE PUSH-PULL
 


Pour répondre à trois questions souvent posées, je ne fabrique ni ne modifie ni ne chiffre mes montages à la demande.
Pour les alimentations, il est nécessaire de se procurer le transformateur ou ( et ) les selfs avant d'envisager une fabrication.
Dans le cas d'un composant différent, il faudra envisager un autre routage.

C'est une alimentation de type Push-Pull conçue autour d'un TL494 et prévue pour fonctionner sur une batterie 12V.
Elle utilise plusieurs composants récupérés dans une alimentation de PC, dont le transformateur principal.
Le transformateur est rebobiné suivant le besoin. La tenue en puissance a été testée jusqu'à 55 W.
Cette alimentation pourra être déclinée en plusieurs versions.
Le routage de celle-ci permet d'obtenir une tension de sortie allant de 15V à 70V.
Ce montage est en ligne, car il existe un nombre incalculable de pages sur Internet qui traitent de la théorie
mais il semble que les montages réels sont très rares.
L'alimentation de type Push-Pull n'a que des avantages, entre autre pas de temps mort contrairement à une Fly-Back.
Le seul inconvénient est le bobinage du transformateur qui est plus complexe. Le jeu en vaut quand même la chandelle.
L'alimention pourrait délivrer 300 W. La seule limitation provient des radiateurs montés sur les transistors.
La conception de cette alimentation fait qu'elle ne fonctionne pas à vide (intensité du courant débité 250 mA au minimum).

Description du fonctionnement :


 


Le montage est alimenté par une batterie de 12V.
Le primaire du transformateur est constitué de deux enroulements.
Le fonctionnement se décompose en quatre étapes :
A. Q1 est saturé, Q2 est bloqué. L'enroulement primaire bas est alimenté.
B. Les deux transistors sont bloqués, c'est une phase récupération.
C. Q2 est saturé, Q1 est bloqué. L'enroulement primaire haut est alimenté.
D. Les deux transistors sont bloqués, c'est une phase récupération.
La période de 33 µs est terminée, on repasse à la phase A.

Pour les curieux :
Le rôle des deux résistances R12 et R10 est de bloquer les deux transistors si le montage est sous-tension et que le 74HC14 n'est pas implanté sur son support.
La cellule R4/C5 permet de limiter le dV/dt lors des commutations, ce qui permet de dissiper une moindre puissance dans les transistors.
Les résistances R13 et R16 ne sont en place que pour vérifier le fonctionnement du montage avec un oscilloscope avant l'implantation du transformateur (il reste un effet capacitif avec ces valeurs).
Les condensateurs C12 et C16 réalisent un bon découplage qui permet l'essai du montage sur une alimentation stabilisée. Certaines alimentations régulées ne supportent pas ce genre de commutation sur charge inductive et "s'affolent".


Pour réaliser de projet vous aurez besoin :

schéma structurel
schéma d'implantation des composants
typon
Décocher les options d'ajustement sur Acrobat, avant l'impresion, pour obtenir l'échelle 1


Nomenclature :

Résistances








Condensateur










Circuit Intégré


Transistor
Diode
Self


Transformateur
Conducteur

Entretoise
Vis

Nota : l'unité est par défaut si elle n'est pas précisée.

R1, R2, R3
R4, R4B
R5, R6
R7
R9, R15, R20
R10, R12
R11
R13, R16, RT
R14, R14B
C1
C2, C14
C3, C12, C13
C7, C9
C4
C6
C5
C8
C10
C11
CT
U1
U2
U3
Q1, Q2
D1, D2
L1
L2
L3
TR1
X12, X0

M3 x 10mm
M3 x 5 mm

Exemple : la valeur de R4 est en ohm.

10 k
3,9
2,2
470 Ajustable 10 ou 20 tours
4,7k
100 k
33 k
15 k
6,8 k (à définir pour la tension de sortie).
10 µF / 16 V
22 µF / 16 V
470 µF / 16 V à faibles pertes
470 µF / 35 V à faibles pertes
100 µF / 16 V
100 µF / 6,3 V
22 nF / 250 Vs
10 nF
100 nF CMS 1206
220 nF ou 100 nF
1,2 nF
TL 494 + support 16 broches DIL
78L05
74HC14 + support 14 broches DIL
BUK 555 60A + Radiateurs + vis écrou
BYW80 200 ** Lire plus bas les critères de choix.
30 µH de récupération alim. PC
1,5 mH de récupération alim. PC
1 mH miniature
Transformateur de puissance de l'alim. d'un PC.
1,5 mm² ,vers batterie
1,5 mm², vers utilisation
4 pour fixation de la carte

Bobinage du transformateur.

Sur la photo de gauche, le transformateur vient d'être débraser du circuit imprimé. A l'aide d'une paire de pinces coupante il faut sectionner les enroulements pour déshabiller le transformateur. Les extrémités des conducteurs sont souvent enroulées sur les picots de sortie. Pour les extraire, la meilleure solution est de les soulever avec une paire de pinces brucelles et de dessouder rapidement.
La photo centrale représente le secondaire. Le premier secondaire est bobiné en partant d'un picot latéral pour arriver au picot central. Pour le deuxième secondaire, partir du picot central et bobinez le avec le même sens de rotation que le bobinage précédent. On peut récupérer un picot non utilisé du coté primaire pour souder l'arrivée du deuxième secondaire. Il faut ensuite l'isoler. Cette isolation n'est pas primordiale si le secondaire reste en TBT (tension de sortie inférieure à 48V).
Sur la photo de droite, le premier enroulement primaire vient d'être bobiné. Il se compose de 4 spires. Pour une tension de 12V, on se retrouve avec un rapport de 3 Volts / spire. Le deuxième enroulement de 4 spires se bobine avec le même sens de rotation que le premier. On peut retrouver la distribution des picots et le sens des enroulements plus bas sur cette page.
Le secondaire comprend 2 fois 9 spires, ce qui donne une tension à vide de 9 x 3 = 27 V crête.
Pour les essais, j'ai poussé le montage à la limite de mon alimentation, c'est à dire une consommation de 4A sur 12V. Dans ces conditions, les BUK555 sont à peine tièdes. L'élément le plus chaud de l'ensemble étant le transformateur (presque 2W de pertes). La puissance restituée au secondaire est de 46 W ( Nota : le transformateur photographié n'est pas celui de cette application).


Câblage du circuit imprimé :

Percer tous les emplacements avec un forêt de 0,8 mm.
Percer au diamètre de 1 mm les emplacements des BUK555, du 7805, des BYW80 et de la self L3
Percer au diamètre de 1,2 mm les emplacements des deux condensateurs C7 et C9 et du strap situé en face du radiateur.
Percer au diamètre de 1,5 mm les emplacements du transformateur, des selfs L1 et L2 et des quatre conducteurs de 1,5 mm² de section.
Percer au diamètre de 3,2 mm les quatre emplacements de fixation.

Souder tous les composants, sauf les BUK555, le transformateur et le condensateur C5. La photo du montage à ce stade vous est présentée ci-dessous. On peut remarquer les selfs de récupération , à droite l'inductance de lissage du 3,3V.

Les essais :

Ne pas implanter les circuits intégrés TL494 et 74HC14.
Brancher le montage sous 12 à 13V et mesurer les tensions d'alimentation sur les supports (respectivement 12V et 5V).
Après cette vérification élémentaire, débrancher l'alimentation et implanter les deux circuits intégrés.


La voie 1:
Point B du schéma.
- 1 V / division pour le calibre de l'amplitude.
- 5 µs / division pour la base de temps.
Elle représente le signal en dent de scie qui permet la gestion de la modulation en largeur d'impulsion.

La voie 2 :
Point C du schéma.
- 2 V / division pour le calibre de l'amplitude.
- 5µs / division pour la base de temps.
Elle représente le signal de sortie destiné à commuter l'un des transistors de puissance. A l'origine, le circuit TL494 est conçu pour driver des transistors bipolaires.
Mon premier prototype utilisait ce signal (collecteur au +12V et émetteur sur résistance). Les pertes lors des commutations des BUK555 étaient dans ce cas beaucoup trop importantes.

La voie 1:

Point D du schéma.
- 2 V / division pour le calibre de l'amplitude.
- 5 µs / division pour la base de temps.
Elle représente le signal de sortie des trois inverseurs du 74HC14.
Le niveau haut correspond au niveau bas de la voie 2 des précédents chronogrammes. Le fait d'utiliser ces inverseurs permet de diminuer le temps de commutation des transistors.

La voie 2 :
Commande du deuxième transistor.
- 2 V / division pour le calibre de l'amplitude.
- 5µs / division pour la base de temps.
Le circuit est encore en boucle ouverte.
La durée de conduction de chaque transistor est maximale.

On peut souder les transistors sur le circuit imprimé.
Ces 2 chronogrammes sont les mêmes que ceux étudiés ci-dessus.

La voie 1:
Point D du schéma.
- 2 V / division pour le calibre de l'amplitude.
- 5 µs / division pour la base de temps.
Les transistors une fois en place présentent une capacité parasite d'entrée non négligeable. Son effet est précisé par les deux flèches rouges.

La voie 2 :
Commande du deuxième transistor.
- 2 V / division pour le calibre de l'amplitude.
- 5µs / division pour la base de temps.


La voie 1:
Point E du schéma.
- 5 V / division pour le calibre de l'amplitude.
- 5 µs / division pour la base de temps.

Ce chronogramme représente la tension entre un enroulement primaire du transformateur et la masse.. On peut remarquer lorsque le transistor bloque, la surtension provoquée par les différentes inductances que constituent le circuit (cette inductance est complexe car elle intègre l'inductance du primaire, celle du secondaire, celle de fuite du transformateur, celle du transistor, celle éventuelle du circuit imprimé).
Cette surtension, si elle n'est pas maîtrisée peut provoquer la destruction du transistor, ou des diodes du secondaire.

Sur un niveau bas, le transistor est saturé (VDS = 0V).
Sur un niveau haut, le transistor est bloqué. On se retrouve avec deux fois la tension batterie aux bornes du transistor.

   
Le transformateur est maintenant chargé. On est toujours au primaire. L'oscillogramme de gauche représente la ddp aux bornes d'un enroulement primaire avant compensation. Dans ce cas, la puissance dissipée par commutation dans les transistors est importante. Même pour une puissance délivrée au secondaire de 20W, les radiateurs sont brûlants.
Pour éviter ce phénomène on introduit un circuit de compensation, R4 / R4B, C5 (circuit snubber). On peut mettre en évidence son effet sur l'oscillogramme de droite. Le transistor ne dissipe alors que très peu lors des commutations. Il est a remarquer que ce snubber n'est pas celui préconisé par les théoriciens (sur les schémas de type push-pull, on se retrouve avec deux ou quatre circuits distincts). Après plusieurs essais il apparaît que cette seule cellule est plus efficace. Je laisse les calculs pour une autre personne :o)
Il y a deux résistances en parallèle, R4 et R4B, car je n'avais pas de résistance 1/2W sous la main.

 
La tension de sortie :

Sur l'oscillogramme de gauche, elle est réglée à l'aide de l'ajustable R7, à 19 V. Calibre de l'amplitude 5V / division. L'alimentation était destinée dans ce cas à obtenir une journée d'autonomie avec un ordinateur portable sur une batterie de voiture.

L'oscillogramme ci-dessus représente la tension d'ondulation.
Point G du schéma.
- 50 mV / division pour le calibre de l'amplitude.
- 5 µs / division pour la base de temps.
L'alimentation délivre une puissance de sortie de 30 W. On peut remarquer les bruits de commutation qui sont inévitables avec cette technologie (j'ai modifié CT entre-temps).

Calcul de la tension de sortie :

La tension de sortie de l'alimentation est obtenue à l'aide d'un comparateur dont l'entrée moins (broche 2 du TL494) est portée à 5V par la tension de référence (broche 14 du TL494). La tension de sortie est réinjectée sur l'entrée plus du comparateur (broche 1 du TL494) par le pont diviseur constitué de R14, R14B / R7, R15. La tension de sortie est donnée par la formule :
Vout = Vref x [ 1 + ( R14 + R14B) / ( R7 + R15 ) ]
Si on s'arrange pour que l'ensemble R7 + R15 soit ajusté à la valeur de 5 k, en considérant les valeurs de R14 et R14B en kilo-ohms
Vout = 5 + R14 + R14B, ce qui dans notre cas donnerait Vout = 5 + 6,8 + 6,8 = 18,6 V, et donc 19 V après réglage.
Dimensionner le primaire :

Les deux enroulements primaires sont constitués de 4 spires.
On se retrouve avec un rapport de 3 spires / Volt.
La limitation en puissance est caractérisée par la taille des radiateurs.
Avec une puissance de 60W absorbée, la consommation est de 5A.
Un enroulement n'est parcouru par ce courant la moitié du temps.
Le courant moyen est donc de 2,5 A par enroulement.
Un conducteur de 1 mm² de section suffira.
A ces fréquences l'effet de peau entre en jeu.
C'est pourquoi, les constructeurs préfèrent câbler plusieurs
conducteurs de faible section en parallèle.

Dimensionner le secondaire :

L'alimentation a un rendement de 85%.
La puissance restituée est d'environ 50 W.
La tension de sortie pour notre cas est de 19 V.
L'intensité du courant est de 50 / 19 = 2,6 A.
Un enroulement n'est parcouru par ce courant la moitié du temps.
Le courant moyen est donc de 1,3 A par enroulement.
Un conducteur de 0,5 mm² de section suffira.

La tension de sortie doit être de 19 V. On a un rapport de 3 spire / Volt.
Le nombre de spires théorique au secondaire sera 19 / 3 = 6,3 spires.
On prend 30% de marge (pertes diverses + chute de tension batterie).
Le nombre de spires pour un enroulement secondaire sera
N sec = 6,3 x 1,3 = 8,2. On retient 9 spires.
La tension à vide au bornes d'un secondaire sera de 3 x 9 = 27 V en crête.

Les condensateurs de sortie C5 et C7 doivent avoir une tension nominale supérieure à la tenson crête du secondaire à vide. Dans le cas accidentel d'une alimentation non chargée, cette tension serait atteinte.

Les diodes de redressement du secondaire doivent pouvoir bloquer deux fois la tension crête ajoutée au pic de commutation
Dans notre cas : Vr = 2 x ( 25 + 5 ) = 60 V
Avec les BYW80 200, on peut monter jusqu'à 70 V au secondaire.
Pour une intensité de courant importante au secondaire des dissipateurs sont prévus au niveau de l'implantation. Il ne faut pas oublier dans le calcul du courant qu'une diode conduit moins de la moitié d'une période.

Évolution :

La réalisation présentée est prévue pour fonctionner sur batterie. Il n'y a donc pas de filtre sur l'entrée.
Les fusibles sont extérieurs à la réalisation. On peut :
- ramener le point milieu du secondaire au +12V (rendement de l'alimentation 95%).
- rajouter un autre secondaire pour une fonction supplémentaire.
- utiliser la double diode schottky ,de l'alimentation du PC, au secondaire (modification du typon).
- refroidir les transistors avec un type de radiateur à résistance thermique plus faible.
- monter le dissipateur d'origine et ventiler (ne pas oublier de remonter le kit d'isolation).
- utiliser un driver pour les transistors (pertes encore plus faibles).
- modifier l'alimentation pour obtenir de la BT (500 V en sortie...).
- modifier l'alimentation pour obtenir une tension de 5V pouvant débiter 30 A (en projet).
- introduire une limitation de courant. Un deuxième comparateur est intégré au TL494 à cet effet.
- utiliser une batterie 24V. Le nombre de spires au primaire sera doublé.
Si vous réalisez une variante, merci de me signaler afin que j'ajoute un lien.

Le routage :

Pour éviter des phénomènes parasites occasionnés par des chutes de tensions non désirées (loi d'ohm, EMI...), il est nécessaire de respecter certaines règles :
Le circuit primaire ( 12 V ) :
- les intensités en jeu sont importantes. Il est nécessaire de dimensionner les largeurs de pistes et de minimaliser leurs longueurs.
- 1A : chemin du courant allant du plus batterie vers le point commun du primaire transformateur.
- 1B, 1C: chemin des courants, sorties des primaires vers les drains des transistors.
- 1E, 1D: chemin des courants, sources des transistors vers le moins batterie.
Le circuit secondaire ( 19 V ) :
- 2B, 2C: chemin du courant allant des secondaires vers les diodes de redressement.
- 2E, 2F: chemin du courant du circuit de filtrage (pour les courants importants, il faudra croiser C9 et X2).
- 2A : chemin du courant de retour vers la masse secondaire.
- Le routage est prévu pour intégrer plusieurs types de selfs et condensateurs.
La prise d'information :
- 3A : cette connexion doit être la plus courte possible et le point de liaison au plus prêt de la sortie X2.
La masse de référence :
- 4A, 5A : ces pistes sont empruntées par des courants très faibles, sous peine d'une dégradation rapide du signal de sortie.
Le plan de masse :
- 6A : on ne peut réaliser un plan de masse unique. Les chemins des courants ne sont pas maîtrisés.
- On part vers une catastrophe certaine si la séparation 6A n'est pas respectée.
Le prototype :
Juste une histoire à faire peur.
A l'origine, le TL494 pilotait directement les BUK555.
Il y avait un plan de masse unique.
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