Electronique - Réalisations - Alimentation symetrique 001

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Dernière mise à jour : 04/12/2011

Caractéristiques principales

Tension : +/-15 V (+/-9 V à +/-24 V)
Courant : 1 A
Régulée : Oui

Présentation

Cette réalisation convient pour alimenter tout montage analogique (domaine audio ou mesure) nécessitant une alimentation symétrique, c'est à dire une alimentation double, avec une branche positive et une branche négative.

Alim sym 001 - PCB 3D

Elle fait appel à des régulateurs de tension ajustables de type LM317 et LM337. Les tensions de sortie sont fixées ici à +/-15 V, mais l'adoption d'autres valeurs de tension est tout à fait possible, moyennant des modifications mineures, décrites dans les lignes qui suivent. Pour avoir une vue plus détaillée des diverses parties de l'alimentation et si vous êtes novice, je vous invite à lire cette page de présentation d'une alimentation secteur, avant de continuer.

Schéma

Le schéma représente la totalité de l'alimentation, et repose sur l'emploi de composants courants mais éprouvés.

Fusible et varistance

La varistance R7, placée en parallèle sur le primaire du transformateur, n'est pas obligatoire. Elle écrête les surtensions de valeur supérieures à 250 Veff, et contribuera à ralentir le vieillissement de votre alimentation si votre secteur EDF est souvent sujet à des surtensions. Vous pouvez omettre cette varistance si vous êtes déjà équipé de filtre / parasurtenseur secteur. Si vous mettez cette varistance, placez-la impérativement dans un morceau de gaine thermo-retractable. C'est assez rare, mais il peut arriver qu'une varistance explose, et il vaut mieux alors étouffer la flamme et empêcher les débris incandescents de se propager aux alentours. Le fusible FU1 devra être calibré selon la consommation attendue sur les sorties. Prenons l'exemple d'une alim +/- 24V : si vous comptez faire débiter 1 A sur chaque branche, cela fait 2A en sortie. Ramené à l'entrée 230V, cela fait grosso-modo 200 mA ((2 / 230) * 24). Donc fusible 250 V / 0,2 A. Si vous ne savez pas combien votre alimentation devra débiter, utilisez un fusible 250 V / 0,315 A. Rapide ou retardé ? Je vous propose le retardé.

Redressement

Le redressement de l'alternatif est confié à un pont de diodes formé par quatre diodes indépendantes. Vous pouvez vous contenter de diodes de type 1N4007 si le courant débité par chaque branche en sortie ne dépasse pas 1 A. Au delà, et dans la limite bien sur des 1,5 A imposée par les régulateurs de tension choisis ici, choisissez des diodes de type BY255, qui supportent 3 A. Vous pouvez aussi utiliser des diodes de redressement rapide (comme les BYW98-200, STTH1R02, MBR745 ou MBR20100CT). Vous pouvez aussi utiliser un pont de diodes moulé en lieu et place des quatres diodes. Les condensateurs C7 à C10, placés en parallèle sur les diodes D1 à D4 du pont de diodes, sont destinés à réduire les bruits HF occasionnés par les diodes lors des commutations conduction-blocage. L'efficacité de ces condensateurs est sujète à discussion, voir page Alimentation secteur - Bases.

Régulation

Elle est intégralement assurée par des régulateurs de tension intégrés de type LM317 (pour la partie positive) et LM337 (pour la partie négative).

Protections additionnelles

Les diodes D5 et D7 empêchent les condensateurs de sortie de se décharger dans les régulateurs de tension, en cas de court-circuit en entrée. Les diodes D6 et D8 quant à elles permettent de décharger les condensateurs placés entre les bornes d'ajustage des régulateurs et la masse, en cas de court-circuit sur la sortie (respectivement C2 et C5 sur le schéma). Ces diodes D5 à D8 ne sont pas obligatoires, mais je vous conseille fortement de les mettre. Quand on bricole, un court-circuit arrive toujours plus vite qu'on ne le pense.

Filtrage

Les deux condensateurs C2 et C5 ne sont pas obligatoires, mais ils contribuent à augmenter la rejection de l'ondulation de l'alim, ce qui ne peut qu'être bénéfique. Leur valeur sera de 10 uF s'il s'agit de modèles chimique aluminium, ou de 1 uF s'il s'agit de condensateurs au tantales (ces derniers ont une résistance série équivalente - ESR - inférieure). Les condensateurs C3 et C6 ont pour valeur 22 uF s'il s'agit de chimiques aluminium, cette valeur peut descendre à 1 uF s'il s'agit de tantales (même raison que celle évoquée précédement, en tenant cependant compte du fait que les condensateurs tantales ne sont pas trop conseillés si l'alim est prévue pour un montage audio de haute qualité). Si vous constatez une oscillation parasite sur la branche négative une fois l'alimentation connectée au montage à alimenter, vous pourrez augmenter la valeur de C6 : tantale de quelques uF ou électrolytique de quelques dizaines ou centaines de uF. Si les condensateurs de filtrage d'entrée (C1 et C4) sont éloignés des régulateurs (plus de 10 cm) , il conviendra d'ajouter des condensateurs directement entre la borne d'entrée de chaque régulateur et la masse (C11 et C12 sur le schéma). Si vous optez pour l'implantation des composants sur le circuit imprimé proposé un peu plus loin, ils ne seront pas nécessaires, même si leur empreinte est prévue. Ces condensateurs auront une valeur de 10 nF à 100 nF s'il s'agit de céramiques, ou de 1 uF s'il s'agit de tantales (dans ce dernier cas, pensez à respecter leur polarité).
Les condensateurs C13 et C14 permettent une meilleur réponse impulsionnelle : si le montage alimenté est de type audio (préampli ou ampli par exemple), les transitoires seront améliorées. Vous pouvez essayer l'alim avec ou sans ces condensateurs afin de vous faire votre propre opinion quant à leur utilité, celle-ci étant parfois sujette à discussion.

Choix des tensions de sortie

Les tensions de sortie sont déterminées par la valeur des résistances R1 et R2 pour la branche positive, et des résistances R4 et R5 pour la branche négative. Voici quelques valeurs typiques, obtenues avec les formules indiquées sur le schéma, soit :
Vs+ (tension de sortie positive) = 1,25 * (1 + (R2 / R1))
Vs- (tension de sortie négative) = 1,25 * (1 + (R5 / R4))

Tension de sortie	R1 = R4 = 220
9 V	R2 = R5 = 1364
12 V	R2 = R5 = 1892
15 V	R2 = R5 = 2420 (2200 + 220)
18 V	R2 = R5 = 2948 (3000 ou 1500 + 1500)
24 V	R2 = R5 = 4000 (3900 + 100)

La plupart du temps, les valeurs calculées ne correspondent pas à des valeurs de résistances normalisées. Dans ce cas, essayez de trouver une résistance de valeur proche ou une combinaison de deux résistances qui donne un résultat proche. Par exemple, pour les valeurs données ici pour 15 V, il aurait fallu des résistances de 2420 ohms. Il existe des résistances de 2400 ohms, mais autant mettre en série deux résistances de 2200 et de 220 ohms, car dans ce cas particulier, ça tombe juste. Vous pouvez aussi mettre une résistance de 2200 ohms associée à un potentiomètre ajustable de 470 ohms, ce qui permet de régler la tension de sortie à exactement 15 V. Mais à mon avis le jeu n'en vaut pas la chandelle, car il est rare qu'un montage analogique qui attend du +/-15 V soit perturbé si on lui donne du +/-14,9 V ou du +/-15,1 V... Par contre, il peut dans certains cas être interressant d'avoir une alimentation avec tracking, qui assure l'égalité des deux branches positive et négative (celà fera l'objet d'un sujet à part).

Remarques
- Il est important que les résistances R1 et R4 soient situées au plus proche de leur régulateur respectif. Surtout pour la patte de la résistance située côté sortie régulateur. Cela permet de garantir une meilleur régulation en charge, c'est à dire de limiter les variations de tension en sortie, en fonction des variations du courant consommé.
- Vous pouvez bien sûr remplacer les résistances R2 et R5 par des potentiomètres ajustables, pour pouvoir régler précisement les tensions de sortie. Si vous choisissez cette option, utilisez impérativement des bons potentiomètres (cermet par exemple).
- Beaucoup d'AOP (Amplificateurs OPérationels) ne supportent pas des tensions supérieures à +/-18 V. Si cette alimentation est destinée à un montage audio basé sur des AOP, pensez-y.

Choix des régulateurs

Pourquoi avoir choisi des régulateurs de tension ajustables LM317 et LM337 à la place des régulateurs de tension fixes du type LM78xx ou LM79xx ? Pour deux raisons :
1 - Ayant souvent construit des alimentations (c'est moins vrai maintenant, je me repose de plus en plus), je n'avais besoin de tenir en stock qu'un seul type de composant, quelque soit la tension de sortie que je désirais obtenir.
2 - Les LM317 et LM337 bénéficient d'une régulation meilleure que celle de leur homologues 78xx et 79xx, et de plus sont bien moins "bruyants" (et en audio, celà à une importance considérable). Ceci dit, vous avez tout à fait le droit de préférer une alimentation basée sur des LM78xx et LM79xx, un peu plus simple à réaliser mais aussi un tout petit peu moins performante.
Datasheet du LM317 (LM117), Datasheet du LM337 (LM137)
Retenez que les régulateurs de type 78xx, 79xx, LM317 ou LM317, nécessite une tension d'entrée de 3 volts supérieure au moins à la tension de sortie désirée. Ainsi, pour obtenir 15 V en sortie de tels régulateurs, il faut au moins 18 V (15 V + 3 V) sur leur entrée. Sachez cependant qu'il existe des régulateurs à faible chute de tension (0,5 V par exemple), quelques exemples sont cités en page Régulateur de tension.

Choix des résistances et des condensateurs

Pour les résistances, vous pouvez vous contenter de résistances classiques au carbone de 1/4 W ou de 1/2 W. L'utilisation de résistances couche métal est mieux pour des questions de bruit thermique. Personnellement je n'utilise plus que des résistances métal (sauf peut-être pour certains montages HF où les résistances carbone - non selfiques - sont préférées), mais vous n'êtes pas forcé de faire comme moi ;-). Tous les condensateurs dont la valeur est supérieure à 1 uF sont des modèles polarisés chimique, dont la tension de service devra être supérieure d'au moins 20% à la tension continue qui leur sera appliquée. Les condensateurs C1 et C4 devront avoir une tension de service de 63 V au moins, un modèle 40 V est en effet un peu limite et n'offre pas beaucoup de marge. Tous les condensateurs dont la valeur est inférieure à 1 uF sont des modèles non polarisés céramique multicouches (type Z5U par exemple). Pour les 1 uF, vous avez le choix entre non polarisé ou polarisé.

Choix du transformateur

Pour le choix de la tension et de la puissance du transfo, merci de vous reporter à la page Bases Alimentations secteur.
Le transformateur peut posséder soit un enroulement unique avec point milieu, soit deux enroulements totalement séparés, que vous raccorderez au centre pour créer le point milieu. Les deux exemples ci-dessous n'ont pas de relation directe avec le schéma principal décrit ci-avant : il s'agit juste de montrer comment raccorder les secondaires selon leur type. Ne vous fiez donc pas à la valeur ou au type des composants visibles sur ces exemples.

Remarques diverses

Une pratique courante consiste, dans les amplis guitare, à insérer une résistance de 10 ohms / 2 W entre la terre (côté secteur) et la masse (0 V sortie régulation). Ceci pour contribuer à diminuer le risque de ronflette. Personnellement, je ne l'ai jamais fait et ne saurais dire si cela apporte vraiment un plus (je ne connais pas assez le "monde électronique" de la guitare).

Besoin de plus de courant en sortie ?

Il est possible d'aider les LM317 et LM337 dans leur tâche, en leur ajoutant à chacun un transistor de puissance qui apporte le complément de courant nécessaire, si le courant total de sortie excède le maximum que peuvent fournir les régulateurs à eux seuls. Un exemple d'une telle manoeuvre est proposé en page Alimentation symétrique 010.

Brochage des régulateurs

Important : les pattes d'entrée et de sortie sont inversées entre le LM317 et le LM337 (la broche d'ajustage reste dans les deux cas la borne 1).

Brochage LM317 / 337

Prototype de Vincent

Réalisé selon implantation proposée ci-après.

Merci Vincent pour le retour.

Circuit imprimé

Suite à plusieurs demandes, j'ai fini par réaliser un circuit imprimé, que voici.

Typon au format PDF (40 KO - 21/02/2006)

Remarques diverses

Forme du circuit imprimé

Il y a plusieurs façon de voir l'implantation des composants, selon que l'on désire un circuit plutôt "carré" ou plutôt "rectangulaire". En voici une vision, qui penche vers le "rectangulaire", car il me semble qu'il est plus aisé de caller un tel circuit dans un rack 19 pouces. Ceci dit, les dimensions du CI ne sont finalement pas si importantes que ça, considérant la présence des radiateurs sur le CI lui-même.

Ou est le transfo ?

Le transfo, ainsi que le fusible et l'éventuelle varistance, seront cablés à côté, par fils. J'ai choisi de ne pas implanter le transfo sur le CI pour la simple et bonne raison que le schéma soumis ici n'est pas fait pour une application unique, mais qu'il peut servir à plein de montages différents. Et que vous aurez donc à choisir le transfo qui va pour votre application. Et que je ne peux pas prévoir à l'avance la taille du transfo que vous choisirez. Voilà. N'est-ce pas plus simple ainsi ? Vous devrez donc raccorder votre transfo sur les points A0 (J6), A1 (J4) et A2 (J5), A0 (J6) correspondant au point milieu du transformateur (A comme Alternatif, c'est une appellation tout à fait arbitraire).

Refroidissement des régulateurs de tension

Un régulateur de tension chauffe d'autant plus qu'il doit débiter du courant et que la différence de tension entre son entrée et sa sortie est grande. La taille adoptée ici pour les radiateurs convient bien pour une consommation maximale de 800 mA, si l'air peut facilement sortir du coffret dans lequel vous allez placer le circuit. Si vous voulez faire débiter à l'alimentation davantage de courant (1 A par exemple), il faudra augmenter lla taille des radiateurs et donc redessiner le CI, ou prévoir une ventilation d'air plus efficace (pas forcement ventilée, mais au moins suffisement de trous d'aération sur le dessus du coffret). Notez au passage que la température ambiante joue un rôle important sur le courant max que peut débiter un régulateur de tension. La plupart du temps, les valeurs de courant max précisées par les fabricants sont données pour une températeure ambiante de 25°C. Et dans un boitier fermé, ce n'est pas la même chose qu'en dehors... Pour plus de détails concernant les radiateurs, voir Radiateurs : comment calculer.

Pourquoi tant de pastilles pour les gros condensateurs ?

Tout simplement pour avoir plus de chances de pouvoir implanter ces condensateurs sans avoir à tordre les pattes dans tous les sens. C'est une technique souvent employée par les fabricants, surtout pour les condensateurs, dont les dimmensions et surtout l'entraxe des pattes peuvent varier d'un fabricant à l'autre, pour une même valeur de composant.

Pourquoi ces zones de cuivre raccordées au trous de fixation des régulateurs ?

Vous aurez sans doute remarqué que ces zones ne sont pas raccordées à la masse et sont au contraire totatement isolées du reste des connections électriques. Il s'agit s'implement de rajouter un peu de surface de refroidissement pour les régulateurs. Certes, ça peut sembler minime par rapport aux "vrais" radiateurs, mais c'est toujours ça de gagné.

Historique

04/12/2011
- Ajout photo proto Vincent.