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Electronique > Bases > Alimentations > Alimentations secteur avec transformateur

Dernière mise à jour : 18/07/2008

Préambule

Tout montage ne vaut que par la qualité de son alimentation. Et c'est pourtant bien souvent un point négligé !
Il existe deux familles principales d'alimentations secteur : les alimentation linéaires et les alimentations à découpage. Les alimentations linéaires sont plus faciles à fabriquer et à dépanner. Mais elles présentent l'inconvenient (surtout pour les fortes puissances), d'être plus encombrantes, d'avoir un rendement inférieur et de chauffer plus que leur homologue à découpage. Pour un industriel, le choix du type d'alimentation va évidemment influencer le coût de fabrication ou d'intégration. Il est à noter que tout fabricant de matériel ne possède pas forcemment la compétence pour réaliser des alimentations à découpage, et souvent il l'achètera à un spécialiste. La réalisation d'une alimentation à découpage par l'amateur reste relativement délicate, même avec l'apparition de composants intégrés assurant le plus gros du travail. Dans tous les cas, je ne saurais que trop conseiller au débutant en électronique de commencer par la réalisation d'une alimentation linéaire. De même, je ne vous conseilles pas de dépanner une alimentation à découpage si vous ne connaissez pas parfaitement son fonctionnement. Ceci dit, vous comprendrez que la suite de cette rubrique ne concernera que les alimentations linéaires.

Constitution de base d'une alimentation secteur linéaire

Le nombre de schémas électroniques complets disponibles sur le net et dans les revues d'électronique (qui dit en passant disparaitront sans doute bientôt vu l'évolution des choses) est impressionant. Je ne vais donc pas publier ici une n-ième version de montage que l'on trouve partout, mais plutôt apporter quelques commentaires (enfin bon, si vous insistez, voici le schéma d'une alim 2 x 15V). Vous trouverez dans les lignes qui suivent, le schéma de base de quelques alimentations courantes de type simples et symétriques (doubles). Ces schémas ne laissent apparaitre aucune régulation, nous avons affaire là à des alimentations filtrées mais non régulées. L'ajout d'un régulateur est justifié pour les montages électroniques nécessitant une alimentation très stable, comme les préamplificateurs, les systèmes de mesure ou les montages de type numériques. Le plus souvent, aucun régulateur n'est employé pour l'alimentation en énergie de la section puissance d'un amplificateur BF. Nous y reviendrons plus loin.

Alimentation simple avec transformateur à secondaire unique
Dans la configuration de cablage qui suit, le redressement est dit Mono-alternance, seules les alternances positives de la tension alternative délivrée par le secondaire du transformateur, sont utilisées, les alternances négatives sont purement ignorées. En d'autres termes, on utilise le transfo à moitié de sa capacité. Ce type d'alimentation convient très bien pour un montage qui ne consomme pas beaucoup de courant, car le condensateur de filtrage emmagasine assez d'énergie pour fournir ce qu'on lui demande. Mais demandons un peu plus de courant en sortie, et là c'est la catastrophe, la tension de sortie ondule et s'il s'agit d'une alimentation pour un montage audio, on se retrouve avec une belle ronflette superposée au signal audio utile. Si le courant demandé est assez important, il faut faire appel à un redressement double alternance (solution conseillée), ou augmenter très fortement la valeur du condensateur de filtrage (pas très élégant).

Alim simple

Retenez donc que la solution du redressement mono-alternance présentée ci-avant est déconseillée pour une application audio, mais qu'elle peut parfaitement convenir pour un étage électronique pour lequel une valeur d'ondulation résiduelle importante n'est pas critique (un étage de commande de relais par exemple). Dans  la configuration de cablage qui suit, le redressement est dit Double-alternance, les alternances positives et négatives de la tension alternative délivrée par le secondaire du transformateur, sont utilisées. Cela est rendu possible par l'emploi de quatre diodes au lieu d'une seule (deux se chargent de travailler avec les alternances positives, les deux autres se réservent les alternances négatives).

Alim simple 002

Cette configuration permet d'avoir un résidu de tension alternative de bien moindre amplitude en sortie finale pour un même courant consommé, par rapport au montage à une seule diode. Le condensateur est en effet chargé deux fois plus souvent, et la tension à ses bornes reste ainsi plus souvent proche de son maximum. Ce montage est conseillé quasiment dans tous les cas de figure, il demande simplement quatre diodes au lieu d'une seule. Un surcout vraiment négligeable au vu de ce qu'il rapporte !

Alimentation simple avec transformateur à secondaire à point milieu
Dans  la configuration de cablage qui suit, le redressement est aussi de type Double-alternance, malgré l'emploi de seulement deux diodes de redressement. Les performances de ce montage sont les mêmes que celles que l'on a en utilisant un secondaire simple avec un pont de quatre diodes.

Alim simple 003

Remarque : un tel cablage de deux enroulements secondaires de même tension de sortie ne signifie pas que la tension de sortie va être doublée par rapport à un cablage avec enroulement secondaire simple. Par rapport au point milieu, la tension crête de sortie de chaque "extremité" d'enroulement est celle de la moitié de l'enroulement total, et chaque diode conduit sur une moitié de l' alternance seulement, et ne voit donc que la moitié de l'amplitude d'une onde complète. Par contre, si l'on cable le secondaire avec un pont de quatre diodes comme dans le montage précédent, et sans tenir compte du point milieu (qui reste donc en l'air), la tension de sortie sera bien doublée (un transfo 2 x 12 V devient un transfo 1 x 24 V).

Alimentation symétrique avec transformateur à secondaire à point milieu
Il s'agit sans doute là de la configuration de cablage la plus fréquement rencontrée. Elle permet d'obtenir deux tensions symétriques, opposées en polarité par rapport à une masse commune qui sert de référence (0V). Schéma de base classique comme utilisé à la page Alimentation symétrique 005.

Alim sym 001

Attention à ne pas vous tromper dans la polarité des condensateurs, le condensateur du bas à bien sa borne + reliée à la masse !

Alimentation symétrique avec transformateur à deux secondaires séparés
Voici le schéma correspondant :

Alim sym 002

Vous pouvez assimiler ce montage à deux alimentations simples à redressement double alternance, dont l'une va servir pour la partie positive et l'autre pour la partie négative. Le point commun qui sert de référence (masse 0V) est obtenu en réunissant la borne négative de l'alimentation "positive" (celle du haut sur le schéma), avec la borne positive de l'alimentation "négative" (celle du bas). Notez qu'en abscence de point commun de masse 0V, nous avons là deux alimentations simples totalement isolées l'une de l'autre !

Alimentation symétrique avec transformateur à secondaire simple
Cette façon de faire est souvent mise en oeuvre dans des montages qui nécessitent une alimentation symétrique, et que le transfo fourni est de type externe et à sortie alternative. Cela permet d'utiliser un connecteur jack d'alimentation classique (et donc peu couteux) à deux connecteurs, et de générer les deux tensions symétriques au sein même de l'équipement. Exemples d'utilisations : pédales d'effets de guitares, modem RTC avec port série RS232. Le schéma ci-dessous montre une façon de faire :

Alim sym 003

Retenez que pour ce genre de montage, on se retrouve avec un redressement de type Mono-alternance, donc moins performant. Les résultats ne sont interressants que si la consommation globale est faible, de l'ordre de 100 mA maximum sur chaque branche. Au delà de 100 mA, je déconseille cette approche et préconise l'emploi d'un secondaire double ou à point milieu comme vu précédement. On peut aussi faire appel à des condensateurs de forte valeur qui permettent d'obtenir deux sorties galvaniquement isolées l'une de l'autre, toujours à partir d'une source de tension unique.

Ajout d'un régulateur de tension

L'ajout d'un régulateur de tension est indispensable si le montage alimenté demande une tension d'alimentation de grande stabilité. Le régulateur se met après le condensateur de filtrage évoqué ci-avant. Pour de plus amples informations, merci de vous reporter aux pages Régulateur de tension et Régulation d'alimentation.

Dimensionnement de l'alimentation

Les paragraphes qui suivent traitent du choix des composants à utiliser pour réaliser une alimentation linéaire, du type de celles proposées ici et . Le choix du transfo, des condensateurs de filtrages principaux, du type de régulateur, et de la taille du radiateur (s'il y en a besoin bien sûr) ne doivent pas être pris à la légère. Pour être fiable et donner de son mieux, une alimentation doit être parfaitement dimensionnée. Prévoyez une marge de 20 à 30%, ou même plus si vous pensez un jour adjoindre un élément à votre montage (vu-mètre non prévu au départ, ou je ne sais quoi d'autre).

Choix du transfo

Le texte qui suit donne quelques idées générales, point de "décisionnel absolu". Pour des besoins spécifiques, ces infos peuvent être insuffisantes et devront sans doute être complétées.

Type de transformateur
Transformateur standard, torique, ou spécifique audio (type "R") ? Pour l'audio faibles niveaux, j'ai fait mon choix depuis longtemps : torique ou type "R". Les transfos standards sont à bannir pour l'audio faibles niveaux, à cause de leur pertes magnétiques trop importantes, qui induisent trop de problèmes de ronflettes (ou alors il faut les mettre dans un boitier à part, mais celà engendre d'autres soucis). Les transfos toriques sont bien car ils rayonnent bien moins, et tiennent moins de place en hauteur (faciles à caser dans un rack 1U) sauf bien sûr s'il s'agit de modèles 600VA... Les transfos de type "R" sont très bien aussi, mais attention à leur hauteur, qui empêche leur utilisation dans un rack 1U. Pour ma part, j'utilise du type "R" si je peux le caser, sinon, je prends un torique. Le seul avantage que je trouve aux transfos standards est leur prix. En fait, j'en utilise plus que des transfos toriques, car il conviennent très bien pour toutes sortes d'autres montages (sinon ils ne se vendraient pas) !

Tension de sortie (tension de secondaire)
Choisissez un transformateur dont la tension de sortie de son secondaire est en étroite correspondance avec la tension de sortie régulée désirée. Pour cela, il faut savoir que la tension donnée par le constructeur correspond à la tension alternative efficace. La tension redressée, en sortie du pont de diode, sera plus élevée, 1.4 fois plus importante environ. Pour connaitre la tension continue que l'on aura après redressement par les diodes et après filtrage par le condensateur, la tension efficace doit être multipliée par 1,41 (racine de 2), puis on doit lui retrancher la chute de tension dans les diodes (environ 1,2 à 2,0V pour un pont de diodes, selon son type). Par exemple, si vous utilisez un transfo dont le secondaire délivre une tension efficace de 15V, la tension continue redressée et filtrée Us sera de :
Us = (15 x 1,41) - 1,2V = 20 volts environ (1,2V de chute de tension pour un pont de diodes faible puissance).
ou
Us = (15 x 1,41) - 2,0V = 19,1 volts environ (2,0V de chute de tension pour un pont de diodes forte puissance).
Comme la chute de tension dans les régulateurs classiques est de 3V au minimum, cette valeur convient parfaitement pour une tension de sortie de 15V.
Remarque pour une tension de sortie 24V : une fois redressée et filtrée, la tension efficace de 24V atteint allègrement les 32V. La chute de tension aux bornes du régulateur est alors de 8V, ce qui nécessite le placement d'un radiateur bien dimensionné sur le régulateur. On ne peut utiliser de transfo de 18V, car la tension redressée et filtrée ne serait que de 24V et donc insuffisante pour que le régulateur fonctionne correctement (souvenez-vous des 3V minimum nécessaires entre entrée et sortie du régulateur).

Puissance
La puissance du transfo sera choisie en fonction de la tension et du courant maximum désirés. Si vous souhaitez réaliser une alim 9V / 1,5A, il vous faudra au minimum un transfo de 13,5W (9V x 1,5A). La majorité des constructeurs expriment la puissance du transfo en VA et non en Watts, mais en pratique il n'y a pas de très grandes différences, même si ce n'est pas la même chose. Pour connaitre le courant nominal qu'est capable de fournir un transfo, il suffit de diviser la puissance du transfo (en VA) par la tension maximale du ou des secondaires.
Par exemple, un transfo de 2 x 9V / 75VA est capable de fournir un courant de :
75 / 18 = 4,2A environ (par secondaire)
Le calcul est bien sûr possible dans l'autre sens : vous souhaitez un transfo 9V / 1,5A, vous devrez alors choisir un modèle :
9 x 1,5 = 13,5VA
Il est de loin préférable d'opter pour une petite marge, aussi, pour ce dernier exemple, vous choisirez un modèle 16VA.

Combinaison de secondaires
Vous pouvez mettre en parallèle deux secondaires de même valeur afin de doubler le courant de sortie disponible (la tension restant la même), ou les mettre en série afin d'additionner leurs tensions (le courant de sortie maximal sera celui permis par le secondaire le moins "puissant"). Par exemple, avec un transfo de 2 x 9V / 16VA, vous pouvez obtenir 18V / 0,88A (montage des secondaires en série) ou obtenir 9V / 1,77A (montage des secondaires en parallèle). Attention cependant, une telle association ne vous permet plus de réaliser une alimentation symétrique, puisque vous vous retrouvez alors avec un seul secondaire au final. Voir aussi Cablages transformateurs.

Combinaison de primaires
La combinaison de bobinages primaires peut être justifiée quand le transformateur dispose de plusieurs enroulements distincts au primaire, par exemple deux enroulement de 110V chacun. Dans ce cas, il faut relier les deux primaires en série afin de pouvoir leur appliquer du 230V, valeur plus courante en France ;-). Ne songez pas un instant à mettre deux enroulement 110V en parallèle pour augmenter la puissance disponible, la seule chose que vous augmenteriez serait la quantité de lumière et de fumée dans la pièce où à lieu l'expérience. Voir aussi Cablages transformateurs.

Choix de la diode ou du pont de diodes

Le type de diode ou pont de diodes dépend de la tension de sortie crête du transfo et du courant maximum à délivrer en sortie. Votre choix peut aussi bien se porter sur des diodes à l'unité (il en faut quatre pour faire un pont) ou sur un pont moulé (quatre diodes intégrées dans un unique boitier à quatre pattes). Vous pouvez vous contenter d'un pont de diode moulé de type 110B6 ou KBP02M pour une utilisation en 12V / 500mA, ou utiliser des diodes classiques telles les 1N4007, ou les BY255 pour des courants un peu plus importants (1A par exemple). Mais vous pouvez aussi exiger mieux, et utiliser des diodes de redressement rapide (comme les BYW98-200) ou des diodes schottky (genre MBR745 ou MBR20100CT), qui peuvent améliorer le comportement global de l'alimentation sur les transistoires rapides. Pour des courants très importants (20A par exemple), votre choix devra se porter sur un pont de diodes de puissance, généralement équipé d'une semelle mécanique permettant une fixation directe sur un radiateur de refroidissement (à ces courants là, l'échauffement thermique des diodes n'est plus du tout négligeable).
Remarques :
- Je préconise l'ajout d'un condensateur de 47nF sur chacune des diodes de redressement, afin de réduire les bruits de commutation (parasites HF) produits par les diodes elles-même à chaque alternance.
- L'ajout d'une résistance de faible valeur (1 à 3,3 ohms) en série avec chaque diode d'un pont de diodes est conseillé lorsque les courants mis en jeu commencent à devenir importants (plusieurs ampères). Ces résistances permettent de limiter l'appel de courant d'une part lors de la mise en route de l'alimentation (le condensateur de filtrage principal est vu à ce moment comme un splendide court-circuit car il n'est pas encore chargé), et d'autre part en fonctionnement normal, ce qui limite aussi un peu les bruits de commutation.

Choix du condensateur de filtrage

Le choix du type de condensateur à utiliser ici se porte sur une condensateur électrochimique, ce type de composant permettant une forte capacité sous un volume raisonnable. Restent à connaitre la valeur et la tension de service à utiliser...

Valeur capacitive
De la valeur capacitive et du courant consommé dépendra la valeur de l'ondulation résiduelle. Cette dernière n'est ni plus ni moins que la composante alternative qui reste supperposée à la tension continue redressée, et que l'on peut comparer à la petite tache de graisse qui reste toujours même après plusieur lavages. Cette tension résiduelle doit rester aussi faible que possible. Notons que sa valeur est ici moins critique si l'alimentation doit fournir en énergie plusieurs modules qui possèdent chacun leur propre filtrage (voire régulation), cas des tranches de certaines consoles de mixage par exemple. Sans entrer dans les détails des formules mathématiques, on peut dire que la valeur du condensateur principal de filtrage doit être de 1000 uF à 2200 uF par tranche de 1A. Dans la majorité des cas, 1000 uF suffisent si une stabilisation de la tension est assurée par la suite. Pour un étage d'amplification BF de forte puissance, qui utilise bien souvent une tension filtrée mais non régulée, il est d'usage de prendre 2200 uF par tranche de 1A pour "compenser" l'absence de stabilisation.
Remarque : sur ces condensateurs de filtrage principaux (ceux de forte valeur), je conseille de placer en parallèle un condensateur de 100 nF à 1 uF, afin d'améliorer le comportement dans les plus hautes fréquences. La valeur de 100 nF que l'on voit souvent sur les schémas est déclarée insuffisante par plusieurs spécialistes en la matière (je n'en fais pas partie), qui préconisent plutôt des valeurs de l'ordre de 1 uF. Certains conseillent de placer trois condensateurs en parallèle sur le "gros" : un de 1nf, un de 10 nF et un de 100 nF, chacun agissant sur une plage de fréquence différente et contribuant ainsi à réduire de façon plus efficace le bruit global. En réalité, je pense que tous ont raison, il faut simplement savoir ce que l'on cherche à alimenter, et connaitre les plages de fréquences mises en jeux ou critiques : un montage analogique avec bande passante 20 Hz à 40 KHz, et un montage numérique travaillant à 50 MHz ne réclament pas les mêmes moyens.

Tension de service
La tension de service du condensateur doit être en relation avec la tension crête qui lui est appliquée, la tension crête étant tout simplement la tension correspondant à la valeur la plus élevée de la sinusoïde de la tension alternative du secondaire du transformateur. Dans le cas d'un transfo de secondaire 24V, la tension crête après redressement sera de l'ordre de 32V (voir ci-avant), il faudra donc choisir un condensateur dont la tension de service sera de 40V au minimum. Une tension de service plus élevée (63V par exemple) conviendra aussi tout à fait, mais le condensateur sera un peu plus gros.

Choix du régulateur de tension

Le régulateur de tension doit être choisi en fonction de la tension et du courant de sortie désirés. Il s'agira d'un régulateur de tension fixe si la tension nécessaire est connue d'avance, ou d'un régulateur de tension ajustable si la tension de sortie de l'alimentation doit pouvoir prendre plusieurs valeurs (alim de labo par exemple). Il existe une foule de régulateurs intégrés, mais les plus réputés sans sans nul doute ceux de la série 78xx (positifs fixes), 79xx (négatifs fixes), LM317 (positif ajustable) ou LM337 (négatif ajustable), qui permettent de fournir un courant de 1A (1,5A pour certains), ce qui suffit bien dans nombre de cas. Ces régulateurs sont bien pratiques à mettre en oeuvre, mais il faut savoir que certains peuvent poser de petits soucis d'instabilité s'il ne sont pas bien cablés ou bien entourés. Instabilités qui peuvent se traduire par une oscillation parasite difficile ou impossible à déceler au voltmetre, car s'etablissant à des fréquences trop hautes (autour de 100KHz, ce qui est totalement inaudible, directement tout du moins). Seul un oscilloscope permet de s'assurer de l'abscence totale d'oscillation. Le problème de ces oscillations parasites devient encore plus ardu quand elles se manifestent par intermittance (accrochage suite à une surmodulation ou suite à une élevation de température). Un tel problème est généralement lié à une mauvaise conception de l'alimentation, à un mauvais routage des pistes du circuit imprimé, à un mauvais choix de composants (condensateur de valeur trop élevée à la sortie d'un régulateur par exemple).
Voir aussi Régulation d'alimentation.

Doit-on mettre un radiateur sur les régulateurs ?

Cela est conseillé la plupart du temps, et est nécessaire quand la dissipation thermique du régulateur (la température qu'il dégage) est importante. Cette dissipation thermique dépend principalement des facteurs suivants :
- différence de tension entre l'entrée et la sortie du régulateur
- courant débité par le régulateur
- température ambiante.
Exemple 1 : si la différence de tension entre l'entrée et la sortie du régulateur est de 6V et que le courant débité est de 0,8A, cela occasionne une dissipation de puissance de l'ordre de 4,8W, ce qui est beaucoup pour un petit composant nu. Dans ce cas, il faut un radiateur.
Exemple 2 : si la différence de tension entre entre l'entrée et la sortie du régulateur est de 3V (le minimum possible pour les régulateurs courants) et que le courant débité est de 0,1A, cela occasionne une dissipation de puissance de l'ordre de 0,3W, ce qui est plus raisonnable, aucun radiateur n'est ici nécesessaire si la température ambiante ne dépasse pas 35°C.
Les régulateurs intégrés actuels possèdent une protection thermique qui les protègent contre la destruction en cas de surchauffe, mais c'est assez casse-pied d'avoir une alim qui se coupe toute seule à intervales réguliers...  Aussi vaut-il mieux prévoir un radiateur dimensionné en fonction de ce que vous leur ferez subire. Le calcul du radiateur à utiliser dépend de la résistance thermique du boitier du régulateur, exprimée en °C/W (degrés Celcius par Watt), de la puissance maximale que doit dissiper le régulateur. Le datasheet du LM317, que vous trouverez sans problème avec un moteur de recherche internet tel que Google, explique bien cela (c'est en anglais mais on peut comprendre la base). Vous pouvez aussi, si vous préférez le français, consulter la page Radiateur : comment calculer ?, où j'ai essayé de décrire la méthode de calcul de la façon la plus simple que je pouvais.
Astuce : si vous concevez vous-même le circuit imprimé de votre alimentation, essayez de prévoir, dans la mesure du possible, un peu de surfaces de cuivre pleines reliées aux pattes du régulateur. Ces surfaces améliorent le refroidissement de la bête...

Séparation des rôles

Si votre réalisation audio comporte une partie analogique et une partie numérique - un convertisseur DA ou AD, ou même plus simplement un vu-mètre à 30 leds - l'alimentation de la partie numérique doit être totalement indépendante. Ceci afin d'éviter que toutes les variations de courant causées par la partie numérique ne déteigne sur la partie analogique.

Distribution des tensions régulées

Ne lésinez pas sur le diamètre des fils de cablage. Ceci même si votre montage ne consomme pas des ampères et des ampères. La raison en est simple : un fil de fort diamètre présente une résistivité moindre. Les différences de potentiel créées entre deux points d'alimentation identique s'en trouveront réduites au minimum, et le risque de ronflettes réduit par la même occasion.
Raccorder les masses de vos cables d'alimentation en un point unique.
Si votre alimentation fournie plusieurs modules, effectuez le cablage en "étoile", et surtout pas en parallèle !

Couplage d'alimentations

Il est des cas où il est nécessaire de coupler des alimentations par une mise en parallèle ou en série, pour respectivement augmenter le courant de sortie ou pour augmenter la tension de sortie. Quand les alimentations sont identiques et totalement isolées l'une de l'autre, le couplage ne pose aucun problème. Si elles sont différentes, le courant disponible avec leur mise en série correspond au courant que peut délivrer l'alimentation la moins costaud. Les deux schémas qui suivent montrent que selon l'endroit où l'on place la référence (qui peut devenir ensuite la masse) on obtient deux résultats différents. Et pourtant, les alimentations et leur interconnection sont identiques !

Alim couplage serie 001 Alim couplage serie 002

En réalité, si on oublie le point de référence (masse sur les schémas), les différences de potentiel aux différents points de sortie sont rigoureusement identiques dans les deux cas. Le premier synoptique peut être utilisé si vous possédez un préampli micro qui fonctionne sous une tension d'alim simple de 24V et que vous souhaitez doter ce préampli d'une alim phantom 48V. Dans ce cas, l'usage de deux alimentations 24V vous permet, par leur mise en série, d'obtenir du +24V et du +48V, tous deux avec une référence 0V (masse) identique. Notons tout de même que ce genre de configuration est toléré si le courant total demandé sur les deux sorties +24V et +48V n'excède pas les capacités de la première alimentation 24V. Le second synoptique est un classique d'alimentation symétrique réalisée avec deux alims totalement séparée.