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Alimentation à découpage 13V 5A

Discussion dans 'Electronique' créé par baboon21, 27 Août 2015.

  1. baboon21

    baboon21 Apprenti

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    Alimentation à découpage 13V 5A
    Bonsoir tout le monde,

    Je viens vous partager une petite réalisation personnelle, une alimentation à découpage sur base d'un LM3150 de chez Texas Instruments.

    Cette alimentation est un conception en réponse à un futur besoin, d'autres infos/sujets viendront bientôt je pense!


    Les caractéristiques techniques sont les suivantes:
    • Entrée 24VAC redressé filtré
    • 14 Volts à vide /13,3 V sous faible charge (150mA) / 13,1V en fonctionnement nominal/ ???V en surcharge (CC)
    • Courant nominal 5A (prévu pour 3-4 A à la base) / limite de courant à 13.5 A
    • Hachage 330 kHz
    • Soft-start 10ms
    • Vripple 35 mV
    • Dimensions 105*65 mm*
    *La carte pourrait tenir sur cette dimension, sauf que par facilité, j'ai préféré rajouté plus de condensateurs de filtrages et j'ai donc séparé cela en 2 cartes une avec les condos+ diodes et l'autres avec le hacheur Buck.


    Dimensionnement :

    schematic.png

    Voici les diverses étapes pour dimensionner le convertisseur. Ce qui va suivre est tiré de la documentation de Texas Instrument et simplifier. Si vous souhaitez approfondir le sujet .
    Les valeurs affichées sont donc les points clés et ne représente qu'une partie du travail à fournir.


    1. Déterminer ses paramètres d'entrée.
      -Vin min = 24*racine2 -1.4 = 32.5V => je descends à 30 pour tenir compte de la décharge des capas de filtrage
      -Vin max = 38 V (sortie après filtrage à vide le tronsfo donne plus que 24V)
      -Vin TYP = 34V

      -I TYP = 5A
      -I Max = 15A (courant d'appelle du petit moteur)
    2. choisir le pont diviseur pour le feedback
      -Je choisis arbitrairement Rfb1 à 10k
      -Vout = 0.6 * (10k +Rfb2)/10k => Rfb2 sera 62k+130k j'obtiens une sortie à 12.12V (oui les valeurs ont changé avec la deuxieme carte, j'ai pu trouver une résistance de 62k au lieu de 75k qui sortait du 12.9V)
      -VoutMAX = 0.72*(Rfb1+Rfb2)/Rfb1 => 14.54V
    3. Choisir la fréquence de hachage
      -rapport cyclique min = Vout / Vin max = 12.12 / 38 = 0.319
      -Fswitch max = 0.319/200ns = 1600kHz => supérieux au 1000 kHz max
      -je choisis arbitrairement 355kHz (attention voir datasheet car la valeur max pratique dépend du rapport cyclique max)
      - Ron = [(VOUT x VIN) - VOUT] / (VIN x K x fS) - [(VIN - 1) x (VIN x 16.5 + 100)] - 1000 = 310k => lorsque j'avais dimensionner pour la première carte avec 13 V j'avais 332k donc la fréquence sera ici de 330kHz pas bien loins des 355kHz voulu.
    4. Dimensionnement de l'inductance
      -ET = (Vinmax-Vout) x (Vout/Vinmax) x (1000000/Fswitch) = 25 V µs => inductance de 10µH
      -Voir diagramme page 20 pour le choix des self. J'avais une self de 15µH qui correspondait au caractéristiques. Dommage le circuit pouvait être moins volumineux.
    5. Capa de sortie
      -elle doivent supporter le courant de décharge => voir page 17 du datasheet
      -Cout min = 70 / (Fswitch²*L) = 70 / (330kHz² * 15µH) = 42 µF j'ai mis 2 capas de 22µF pour finir
      -Pour avoir une meilleur régulation et ne pas se préoccuper de l'esrmin des capas (enfin pas trop) on met Cff = (Vout/[Vin min*Fswitch])*(Rfb1+Rfb2)/(Rfb1*Rfb2) = 29 pF je place une de 22pF, ceci n'est pas critique en fait et on pourrait même s'en passer à condition de pas descendre trop bas dans les ESR de Cout.
    6. Ilim
      ICL = Imax - deltaIL/2 => si on tolére une variation de 40% dans la self => 15*(1-0.4/2) = 12
      RLIM = ICL x RDS(ON)max/ 85*10^(-6) = 12 * 0.013/85*10^(-6) = 1835 ohm se sera 2 résistances en série une de 180 et une de 1k5 ce qui limite le courant à 13.5A
    7. Mosfet
      On dimensionne les mosfet avec une sécurité de 20% sur VDS => 38*1.2 = 45.6V => des transistor avec Vds = 50 V est nécessaire !

      de plus leur charge à la gate doit rencontrer la condition suivante pour Vgate = 6V
      Qgtotal ≤ 65mA / fs= 197 nC

      Mon choix se porte sur deux CSD19531CKS soit à Vg = 6V => 24 nC on est bon.
    8. Dissipation Mosfet bas
      Les pertes sont principalement du à la conduction => il ne sert "qu'a" décharger la self pour éviter d'être en surtension (explication ultra simplifiée) P = 13.5²*0.013*(1-0.32) = 1.6W
    9. Dissipation Mosfet haut
      Les pertes par conduction sont 13.5²*0.013*0.32 = 0.76W
      Les pertes par commutations sont 0.5*Vinmax*Iout*Qgs*Fswitch*(8.5/(Vcc-Vth) +6.8/Vth) = 0.5*38*13.5*24*10^(-9)*330000*(8.5/(6-2.7) +6.8/2.7) = 10.35W
      soit 11W pour celui-ci ! pour bine faire je doit trouver un transistor aillant un Vth de 2.8V et aillant la plus faible Qgs => c'est une futur amélioration.
    10. calculs des dissipateur thermique
      -Tamb = 50°C par sécurité
      -Rth jonction/case = 0.7
      -Rth pate thermique environ 1.5
      -T jonction 160°C
      -Rth radiateur = (110/11) - (0.7+1.5) = 7.8°C/W
      Je dispose de plusieurs radiateur à 7.5 a super !!

    Amélioration probable
    Améliorer les transistors pour obtenir un meilleur rendement
    en vue - csd18534kcs 60 V et 10 nC à V 12 à 6V


    schematic.png
     
    Dernière édition: 30 Août 2015
  2. baboon21

    baboon21 Apprenti

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    IMG_20150826_190448.jpg

    La gravure par transfert de toner

    IMG_20150826_205718.jpg

    Ca commence à s'installer ici, on dirait !

    IMG_20150828_174053.jpg

    La famille au grand complet

    IMG_20150828_174126.jpg

    Le circuit en entier Les 2 cartes font sensiblement la même taille

    IMG_20150828_174711.jpg

    La forme des oscillation en sortie, P-P on arrive à 35 mV
     
    Dernière édition: 28 Août 2015
  3. metalux

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    Alimentation à découpage 13V 5A
    Bonjour

    un truc qui m'interpelle! la tension en charge est plus élevée que celle a vide ?? ce n'est pas 16 volts plutôt ?
    De plus ce n'est pas régulé?
     
  4. FB29

    FB29 Compagnon

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    Alimentation à découpage 13V 5A
    Bonjour,

    Jolie réalisation :-D ! tu as dû y passer pas mal de temps :wink: ?

    Sur les photos on ne voit qu'une carte, et on ne voit pas de diodes :roll: ?

    Globalement le montage donne l'impression d'être aéré, une optimisation de la surface du circuit doit être possible :roll: ...

    Les pistes présentent de petites irrégularités ... sans doute exagéré par un effet de grossissement de la photo ... on doit pouvoir améliorer ce point je pense ... tu as utilisé quelle technique de gravure :roll:?

    Un peu surpris comme metalux par les caractéristiques techniques avec une variation à vide/en charge de 0,5 V 1,1 V :smt017 ...

    Pourquoi le choix d'une tension nominale de 13V qui ne me semble pas standard ... pourquoi pas du classique 12V ... :shock: ? La source d'alimentation est en quelle tension ?

    Je suppose que c'est pour une application très spécifique et l'on comprendra mieux par la suite :-D !

    Cordialement,
    FB29
     
    Dernière édition: 27 Août 2015
  5. tranquille

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  6. baboon21

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    Mille excuses ! Je vois qu'on m'attend au tournant ! :wink: En effet, j'avais réalisé plusieurs tests avec l'oscillo, et pour retranscrire quelques valeurs j'ai fait vite (avec une énorme migraine en prime donc j'écris des bêtises :mrgreen: ). c'est donc corrigé dans le premier post 14V et 30 mV.


    Idem, migraine, j'ai essayé de faire vite un début de post avant que ça n'empire pour moi. La carte diode + fusible + capa ne me semblait pas "la plus intéressante" :roll: mais tout viendra


    Oui, je suis d'accord de plus le LM3150 est prévu pour des composants CMS, et alors la la carte est toute rikiki !! :D

    Transfert de toner, je ne sais pas pourquoi, cette technique ne semble pas trop bien marcher par chez moi.
    J'ai pourtant testé plusieurs paramètres : papier, température, contraste... Les grosses pistes sont légèrement attaquées (je pense que c'est ce que tu as voulu souligner) les petites présentent parfois des micro-coupures ... J'avoue que je dois encore améliorer ce point (mais c'est la première fois que je sors une piste aussi belle :heart:).



    Parce que j'ai oublié de dire que tout ceci à été réalisé avec des composants de récup et que j'ai du dépenser 1€ à tout casser :smt083 Que 10 centimes par résistances de valeurs que j'avais pas je trouvais ça ridicule pour une première alimentation à découpage qui n'allait peut-être jamais démarrer :lol:.

    La carte est destinée à alimenter un moteur 12V de 60W commandée par PWM => une tension de 13 V n'est donc pas critique,
    La source est un transfo 380/24 V 150VA.



    Je ne suis pas fan des court-circuits francs, je ferai bientot un test qui débitera 14-15 ampères (surcharge) et un "faux-court-circuit" (avec une résistance de 0,1 ohm ou un peu plus ).


    Voilà, ne reste plus qu'à trouver ce fichu tube qui joue à cache-cache :axe:et le reste viendra car j'aimerai tester avec des valeurs de capa de sortie différentes, limitation de courant différent, ...
     
    Dernière édition: 27 Août 2015
  7. FB29

    FB29 Compagnon

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    Alimentation à découpage 13V 5A
    Bonjour,

    Tout d'abord merci d'avoir répondu point par point, c'est très agréable :prayer: !

    Je connais pas ... à mon époque je transférais des pastilles décalque et je collais du ruban directement sur le cuivre :oops: ... la gravure sur bain de perchlorure en flottation tête en bas était nette, mais c'était u pas de 2,54 ... je ne descendait pas à 1,27 comme pour le LM sur ton circuit ... :shock:

    Quand je me suis mis à bricoler l'électronique j'ai commencé par me faire un petit stock de toutes les valeurs depuis quelques ohms jusqu'à 10 M ohms ... en récupérant dans des vieilles télés au début, et en complétant au fur et à mesure par la suite ... ça sert toujours :-D ! heu ... le petit stock est toujours là plus de 40 ans après mais il ne sert plus très souvent :oops: ... mais ça évite de manquer :smt088 ...
    Tiroirs résistances.JPG

    C'est clair :wink: !

    OK :-D ! je me demandais si ce n'était pas alimenté directement sur le secteur, auquel cas je me posais la question de l'isolement galvanique :roll: ...

    Cordialement,
    FB29
     
    Dernière édition: 27 Août 2015
  8. baboon21

    baboon21 Apprenti

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    Hier en voulant vérifié la forme de tension au noeud transistors/self j'ai fait l'abruti, la touche de l'oscillo a glissé, court-circuitant une sortie du LM, bref le transistor du bas ne voulait plus rien savoir, heureusement j'avais un second LM en stock donc il me suffisait de changer le coupable.
    Ce genre de circuit ne se déssoude pas aussi simplement => une piste décollée :mad: on est bon pour refaire une gravure...

    L'occasion de rajouter 2 résistances et élargir le plan de masse sous le LM (il chauffait un peu trop). Les 2 résistances sont un pont diviseur permettant de forcer la pin enable - la doc du LM suggérait de la laisser flottante, mais du coup le démarrage était un peu pénible et la sortie avait du mal à se stabiliser.


    Voilà quelques tests avec une charge un peu plus sérieuse, 2 ampères pendant 30 minutes, tout semble correct. Le transistor du haut chauffe un peu, c'est normal vu le mode de fonctionnement du régulateur, on aurait pu se passer du radiateur sur celui du bas;

    Plusieurs tests avec une valeur de capa en sortie différente:

    • 3300µf => la sortie sature à 14V, le LM se met donc en pause, puis redémarre en dessous de 13V etc etc => le fonctionnement est très brouillant du fait du redémarrage constant.
    • 1000µf => idem mais plus silencieux
    • 470µf => à 5 ampère on ne l'entend plus en dessous même cinéma
    • 44µf => on peut descendre à 1 ampère avec un fonctionnement silencieux (si on se colle tout près de la plaque on entend le leger bruit périodique de la remise en route du lm). Je reste sous cette configuration ça me convient parfaitement.
    • 37µf => valeur théorique préconisée pour 5 ampères, si on projette de tirer très peu de courant, on se retrouve avec un montage très peu encombrant sinon il faut monter d'avantage en fréquence.


      Petite question aux spécialistes : en marche, l'alimentation fait des parasite et ma radio ne capte plus ... comment puis-je limiter ça ? a contrario, mon ordinateur aussi, une fois en marche, ne me permet pas d'écouter la radio, trop de parasite également, suis-je dans les "norme" de bruit ou alors il y a vraiment moyen de limiter ces émissions ?


      Il me semble que le sujet ai été abordé plusieurs fois sur le forum, en gros le toner de l'imprimante laser est un polymer. On imprime sur une feuille, on chauffe la feuille sur le cuivre, on garde le toner sur le cuivre et on grave, c'est assez chouette mais exigent

      Je fais pareil ! Quelques valeurs courantes achetées par lot de 20 quand le besoin se fait sentir mais c'est tout :P

      Vu que cette alimentation à l'air de bien marcher, je tenterai peut-être un jour l'architecture style flyback. Sinon avec un ZVS on peut se permettre un truc plus simple mais pas vraiment de régulation (alimentation électronique des ampoules halogènes).
     
    Dernière édition: 28 Août 2015
  9. midodiy

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  10. tranquille

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  11. stanloc

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    Alimentation à découpage 13V 5A
    C'est certain mais cela sera d'autant moins rentable si on ne domine pas le sujet car les tâtonnements risquent d'exploser le budget pour un résultat décevant.
    On voit de plus en plus sur les forums des gens qui se lancent sur des projets très ambitieux en regard avec leur expérience tout simplement parce qu'ils n'ont pas les moyens de se procurer l'objet acheté dans le commerce ; mais qu'en sera t-il du résultat ?
    La logique voudrait que l'on se forme petit à petit et que l'on se fixe des objectifs très modestes au début pour gravir ensuite l'échelle des difficultés. Comme le font tous les sportifs. On ne prend pas une perche pour la première fois en mettant la barre à 6 mètres.
    Ce que j'en dis ne vise pas spécialement quelqu'un. C'est un constat
    Stan
     
  12. tranquille

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    Je pense que le projet est à hauteur de ses compétences. La réalisation est soignée. Le résultat fonctionne

    (Tu nous montres une fois de plus, ta rengaine désobligeante)
     
  13. osiver

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    Il me semble que la régulation n'est pas très efficace mais peut-être est-ce dû à la mesure (perturbation par résidu de hachage) ou à la disposition des pistes ?:shock:
     
  14. midodiy

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    La regulation d'Une alim à decoupage ce n'est pas la precision d'un regulateur lineaire et je trouve que les resultats obtenu sont bon. Et pour ameliorer la regul, les constructeurs ajoute une resistance en sortie pour que l'alim ne soit jamais à vide!
    Baboon, pour l'etude du circuit imprimé tu as utilisé quel logiciel? je crois reconnaitre eagle...
     
  15. midodiy

    midodiy Compagnon

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