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[Terminé] Convertisseur ultra-basse tension

  1. Tropique

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    [Terminé] Convertisseur ultra-basse tension

    Hello,

    Voici un projet, qui s'il avait été présenté deux mois plus tard n'aurait probablement pas été pris au sérieux. Inutile de vérifier vos calendriers cependant, c'est bien vers le début février que nous allons.
    Ce convertisseur mérite bien son appelation "d'ultra basse tension": il est capable de démarrer à moins de 250mV d'alimentation et de fournir de la puissance jusqu'à 150mV. Il ne s'arrête complètement qu'à 110mV.
    Je vous propose ce projet sous forme de "sneak preview": le circuit va faire l'objet d'une publication dans les semaines à venir, et j'ai décidé d'offrir aux participants de Futura un petit aperçu avant le reste du monde. Ce genre de pratique se répand de plus plus en plus, et selon le domaine porte le nom d'avant-première, de pré-vernissage ou de "bonnes feuilles", alors pourquoi ne pas introduire cette tradition sur ce forum?
    Bien entendu, il n'est pas question, pour des raisons de copyright, de publier le matériel de l'article. Les circuits et concepts peuvent par contre être librement discutés, puisqu'ils ne font l'objet d'aucun brevet ou protection similaire. C'est ce que je vous propose ici.

    Les convertisseurs très basse tension suscitent actuellement un intérêt grandissant, vague verte oblige: la mode est de plus en plus au "energy harvesting", càd la récupération de toutes sortes d'énergies faibles, diffuses, et surtout gratuites!
    Diverses solutions, y compris commerciales ont déjà été proposées: par exemple le LTC3527 de Linear, qui fonctionne encore à 0.5V, mais nécéssite 0.7V pour démarrer.
    http://www.linear.com/pc/productDeta...1,C1060,P49807
    Il y aussi des petits bricolages gadgets, qui permettent d'allumer une LED avec une tension de moins d'un volt:
    http://www.edn.com/article/CA6515353...dustryid=44217
    Mais ce genre de circuit n'est pas très sérieux, et de toutes façons, en dessous de la limite fatidique du Vbe, les candidats se raréfient terriblement: il ne reste que quelques convertisseurs basés sur des transistors au germanium ou des jFETs, qui ne permettent que des puissances vraiment ridicules.

    Le circuit décrit, par contre, n'utilise que des classiques transistors bipolaires au silicium, ce qui semble à priori impossible: on est bien en-dessous de la limite du Vbe. Cela dit, cette barrière est surtout psychologique: en fait, il n'existe pas de tension de seuil, simplement une équation du courant de jonction en fonction de la tension, qui est exponentielle, et donne l'impression d'avoir un "coude" bien marqué à 600mV. Cependant, tout psychologique qu'il soit, l'obstacle est de taille: à température ordinaire, pour baisser le Vbe de 60mV, il faut diviser la densité de courant par 10; à ce compte là, on se retrouve très vite dans les nA, et à de tels niveaux de courant, la transconductance dégringole à des valeurs qui rendent la réalisation d'un oscillateur impossible.


    Voyons comment l'impossible a été accompli:
    Il faut d'abord un circuit d'oscillateur capable de fonctionner de manière efficace à de très basses tensions: l'oscillateur bloqué qui sert de base aux petits convertisseurs flyback est très mal adapté, or ici nous souhaitons réaliser un circuit sérieux, utilisable pour alimenter de vrais circuits, et non un simple gadget de démonstration. La modification qui a été apportée est de le faire travailler en courant: voir la figure V1. C'est un transfo de courant, inséré dans le collecteur, qui assure la réaction positive nécéssaire au maintien des oscillations.
    De cette manière, l'influence de la tension d'alimentation sur la tension de réaction disparait, ce qui permet des oscillations jusqu'à 110mV.
    Ce n'est que la moitié de la solution: il reste le problème du démarrage, qui ne se ferait à priori que vers 0.5V.

    Ce problème a été contourné grâce à une astuce, permise par C2 et R3: lorsque l'interrupteur d'alimentation est coupé, R3 charge positivement C2; plus loin, le circuit est complété par R4.
    Au moment où l'on ferme l'interrupteur, l'armature positive de C2 se retrouve à un potentiel de 2X la tension d'alimentation, qui polarise la base du transistor à travers le secondaire du transfo de réaction. Cette tension de 500mV est suffisante pour générer un courant de quelques µA dans le collecteur de Q1, ce qui, grâce à la structure très particulière de l'oscillateur, est suffisant pour amorcer les oscillations. Une fois que celles-ci sont établies, elles peuvent s'entretenir sans problème.
    Le reste est classique, la self L2 stocke l'énergie pour la délivrer à la tension souhaitée via D2.
    C4 et D3 sont optionnels, ils permettent de gagner un peu en rendement en recyclant une partie de l'énergie stockée dans le transfo. Ils peuvent cependant rendre le démarrage plus difficile.
    La partie de droite du schéma montre une possibilité d'extension, pour atteindre des puissances plus élevées: ici, un convertisseur esclave est piloté par la forme d'onde du convertisseur principal.
    Il serait bien sûr également possible d'utiliser le circuit de base pour alimenter un IC controleur de SMPS normal, mais cette solution est plus simple et plus directe.
    Pour fixer les idées, avec les composants indiqués, le convertisseur de base sort 8.85mA sous 3.02V. la consommation est alors de 269mA. Avec le circuit esclave, il est possible de multiplier par 10 le courant de sortie.
    Les composants seront discutés en détail dans un post ultérieur; disons simplement que le 2SC1983 est un transistor super-beta assez préhistorique, et il est possible de faire beaucoup mieux avec des composants plus adaptés, mais le premier proto a été basé sur ce type.
    La charge montée en exemple est une diode LED blanche, mais elle peut évidemment être remplacée par une diode zener, de 3.3V ou de 5.1V, pour alimenter un montage. Si des tensions nettement plus élevées sont souhaitées, il est préférable d'utiliser une alternative, ce sera discuté plus tard.

    Quelles applications peut-on envisager pour un tel circuit? On peut déjà en citer quelques unes:
    La première est évidemment l'utilisation d'une source d'énergie thermoélectrique, type thermocouple ou batterie Peltier. L'avantage, dans ce cas est de pouvoir travailler un minimum d'éléments en série, ou des delta T° très faibles, comme celui produit par la chaleur de la main.
    Il y en a bien d'autres: d'habitude, il faut mettre plusieurs cellules solaires en série pour alimenter un montage, alors qu'ici, c'est le contraire: on pourrait en alimenter deux en série, avec une seule cellule photovoltaique.
    Et puis, il y a toutes les machines homopolaires, magnétohydrodynamiques et autres, dont la tension de sortie de base est en général faible, et la mise en série délicate.
    Mentionnons aussi les couples électrochimiques biscornus, qui sont en général négligés à cause de leur Fém trop basse.

    A suivre....

    Bonjour à tous

    L'image, en pdf n'étant qu'une image, a été convertie, conformément à l'usage, en gif. Si la résolution n'est pas convenable, merci de la republier, dans la bonne extension.

    Le pdf est destiné exclusivement à des documents multipages, ne pouvant être rendus sur une image.

    -----

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    Dernière modification par gienas ; 24/01/2008 à 11h36.
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  2. Tropique

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    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    L'image, en pdf n'étant qu'une image, a été convertie, conformément à l'usage, en gif. Si la résolution n'est pas convenable, merci de la republier, dans la bonne extension.

    Le pdf est destiné exclusivement à des documents multipages, ne pouvant être rendus sur une image.
    Pour des schémas, le GIF n'est pas idéal; le PNG est préférable, mais le forum, décidément assez vexatoire, limite ce format à 800X600 (pourquoi?). Comme le format de ce document était plus ou moins d'origine en PDF (en PS en fait), je l'ai posté sous cette forme. Le revoici en GIF, pas idéal, mais déjà plus lisible:
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  3. Tropique

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    Choix des composants

    Voyons maintenant les critères de choix pour les composants.

    Une première remarque: le circuit est très tolérant, et acceptera de fonctionner avec à peu près n'importe quoi. Si le sens des enroulements du transfo est correct, il démarrera toujours, même si le transistor est un vulgaire BC548 ou 2N2222. Cependant, il y a une grosse différence entre "fonctionner" et "fonctionner bien": avec une tension d'alim aussi basse, toute négligence se paiera par un rendement et une puissance de sortie sévèrement réduits. Si on cherche simplement à faire un circuit de démonstration, c'est sans importance, mais si on souhaite extraire le maximum d'une source d'énergie limitée, il faudra faire des efforts.

    D'une manière générale, il faudra faire la chasse aux pertes ohmiques: chaque milliohm présent dans le circuit est un milliohm de trop, donc il ne faudra pas pleurer sur le cuivre, la soudure, la qualité des contacts et interrupteurs, etc. Il faudra également limiter la longueur des pistes et des fils à ce qui est strictement nécéssaire.
    Pour comprendre à quel point c'est important, voici quelques chiffres: la version de base consomme environ 270mA moyens; le courant de crête dans les composants est près de trois fois plus élevé, environ 700mA. Chaque milliohm représente environ 0.7mV de perdu pour l'alimentation; bien que celle-ci soit de 250mV, la tension effective aux bornes de la self n'est que de 150mV environ pendant la phase de conduction, à cause de la tension de déchet du transistor. Ces misérables 700µV sont donc déjà suffisants pour faire perdre 0.5% de rendement et de puissance de sortie.... ..un seul milliohm!
    Et avec la version forte puissance, c'est encore près de 10X pire!

    Voyons d'abord les composants inductifs, qui posent en général le plus de problèmes aux amateurs.

    Le transfo de courant:
    Il est réalisé sur un petit tore de ferrite à haute perméabilité, de préférence saturable. LA source de choix pour se le procurer est une vieille lampe fluocompacte: le transfo d'attaque des bases du ballast utilise généralement un tel tore. Voir sur photo "ballast", un circuit typique récupéré dans une épave de lampe économique. La photo "tore" montre en détail le composant en question. Il suffit d'enlever les fils existants, et de les remplacer par une cinquantaine de spires de fil, émaillé ou isolé plastique d'un diamètre indifférent: assez fin pour pouvoir tout mettre, mais pas trop fin pour éviter la fragilité. Le nombre de spires n'est pas du tout critique, 50 est une valeur de départ qui peut éventuellement être adaptée par la suite.
    Une fois terminé, le transfo ressemblera à "ConvTrsf". Le primaire sera une, deux ou trois spires de fil de forte section; choisir l'option qui donne le plus de puissance.
    Il y a d'autres sources que les lampes économiques pour le tore: on peut l'acheter, le récupérer ailleurs, mais il est important qu'il soit en ferrite basse fréquence: certains tores, dans des circuits HF ou des SMPS ne sont même pas en ferrite, mais en poudre métallique, qui ne convient pas. D'autres sont en ferrite, mais pas du bon grade: il existe aussi des ferrites HF, au NiZn qui ne conviennent pas non plus; c'est souvent le cas des tores de mode commun que l'on enfile sur les coax p.ex.
    Pour être sûr que l'on a affaire au bon type de ferrite, au MnZn, il y a un test très facile: il suffit de mettre les pointes de test d'un ohmmètre contre le matériau nu: si on lit une résistance dans les kiloohms, c'est bon, mais si on lit l'infini ou plusieurs megohms, c'est mauvais.
    Les dimensions du tore ne sont pas très importantes; en général, au plus le tore est gros au moins il faut de spires.

    A suivre.....

    PS: j'ai du mettre "ballast" en GIF, le forum a ses humeurs...
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  4. Tropique

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    Choix des composants: suite

    Le GIF a foiré également. Quant ça ne veut pas, ça ne veut pas.

    On continue:

    La self:
    Sa valeur est d'une quarantaine de µH pour la version de base; d'une manière générale, la puissance de sortie est inversément proportionnelle à sa valeur, mais il ne sert à rien de descendre sous 30µH avec les composants indiqués: la puissance maximale (pas nécéssairement le rendement) est atteinte entre 30 et 40µH. Avec la section de forte puissance, ou si on utilise un transistor plus performant, il est avantageux de diminuer la valeur.
    Il est important de choisir un modèle ayant des pertes, ohmiques en particulier, aussi faibles que possible. Les petites selfs de choc courantes ne conviennent absolument pas, leur résistance est bien trop élevée: voir quelques exemples sur "Selfs N OK".
    Les selfs radiales construites avec du fil de section suffisante peuvent convenir, mais ne sont pas optimales : voir un exemple de 22µH sur "Selfs OK".
    La meilleure solution est de la bobiner soi-même, sur un noyau ferrite faible perte, avec du fil de forte section, et divisé, pour faciliter le bobinage et diminuer les pertes par courants de Foucault. Il faut bien sûr un entrefer adapté: voir autre exemple de "Selfs OK".
    Des selfs pour alim de PC, sur tore, peuvent également convenir, mais leur valeur est en général dans la gamme 30 à 80µH environ, alors qu'il nous faudrait plutot 10 à 40µH. On peut débobiner quelques spires pour les adapter.
    On peut également mettre à contribution la lampe fluocompacte: il y a une self ballast de quelques mH, à forte induction qu'il est possible d'adapter: voir photo "Self". Sa valeur est marquée 3.0-3.2mH. Si par exemple on veut en faire une self de 30µ, il faut diviser sa valeur par 100. Pour cela, il faut diviser le nombre de spires par racine carrée de 100, donc 10.
    Il faut d'abord démonter proprement la self: on peut soit la faire tremper une heure ou deux dans du dichlorométhane pour ramollir les vernis et colles, soit la chauffer au four vers 250°C. On peut alors séparer les deux moitiés de noyau. Si malgré les précautions il y a un petit accident et qu'une des ferrites se casse dans l'opération, ce n'est pas trop grave: on peut la recoller, cela augmentera un peu l'entrefer, ce qui n'est pas important pour nous.
    A propos d'entrefer, lors du démontage, il faut soigneusement garder les cales isolantes collées d'origine, elles devront être remises en place (elles sont visibles de chaque côté sur la photo).
    Ensuite, on doit débobiner le fil d'origine en comptant les spires. Après, on peut calculer combien il faut en remettre, et refaire le bobinage avec un fil aussi épais que possible, sans excéder la fenêtre de bobinage disponible (prendre quand même une bonne marge pour éviter les surprises). De préférence, utiliser du fil divisé: dans mon cas, j'ai torsadé ensemble 16 brins de 0.25mm. Enfin, on peut recoller le circuit magnétique tel qu'il était avant démontage.
    Pour mener à bien ces opérations, il est utile de disposer d'un inductancemètre. Le modèle décrit ici est très bon marché, peu compliqué et facile à mettre au point:
    http://forums.futura-sciences.com/thread135366.html

    Le transistor:
    Le type indiqué sur le schéma et qui a servi au premier proto est un modèle Japonais, assez courant dans l'électronique grand public comme les vidéos.
    C'est loin d'être l'idéal: Zetex fabrique aussi des transistors super-beta, mais beaucoup plus performants. J'ai eu ensuite l'occasion de tester ces transistors sur le proto, et ils tiennent leur promesses. Les chiffres parlent d'eux-mêmes:
    La puissance est passée de 26.7 à 102mW, et le rendement de 39.7 à 52%.
    Les types essayés sont les ZTX869, ZTX1047 et l'ensemble Tr. +Schottky ZX3CDBS1M832. Il n'y a pas de différence significative de résultats entre les divers modèles. Ces transistors sont en boitier E-line, plus petit que le TO92, mais existent aussi en SOT23: le ZTX13N15DE6 p.ex. est assez bluffant:
    malgré son boitier minuscule il supporte 5A (15A crête!) et ne coute que $0.32.
    http://www.zetex.com/3.0/3-3-2b.asp?rid=1

    Bref, si on sait se les procurer, ils sont idéaux pour cette application.
    Pour les malheureux qui n'ont accès à rien de tout cela, il faudra se rabattre sur des modèles comme la série BD433, qui était destinée aux autoradios avant que les ICs se répandent, ou alors prendre des "grosses gamelles", genre BD247 ou BUV20. Mais malgré leur taille monstrueuse, ils sont incapables de rivaliser avec les 40milliohm de Rcesat des Zetex.

    A suivre....

    PS Sorry, mais ça merde encore, Selfs NOK sera pour plus tard, si Dieu et VB le veulent (je ne suis pas sûr que ce soit le bon ordre)
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  5. Tropique

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    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    Bon, "Selfs NOK" est passé, "ballast" résiste encore...


    Sur la photo "convZTX", on a une vue latérale du proto: le petit transistor ZTX est coincé entre les deux condos.

    A propos des condos:
    Ils doivent eux aussi avoir une résistance interne (ESR) aussi basse que possible, en particulier celui du primaire.
    Pour y arriver, il est bon d'en mettre plusieurs en parallèle: ici il y a un chimique low-esr de 5600µF avec un condensateur "Oscon" de 220µF: ce sont des condensateurs à électrolyte organique polymère semiconducteur, qui ont une très faible esr. Il y a d'autres fabricants que Sanyo. Le tout est complété par un tantale SMD de 100µ à faible esr... une vraie obsession.
    Le condo secondaire ne doit pas avoir une valeur aussi élevée, le courant moyen étant plus faible, par contre, l'esr doit également être très faible car pendant le bref pulse du flyback, il encaisse la totalité du courant de crête primaire, càd dans certains cas plusieurs ampères.

    La diode:
    C'est une schottky, logiquement, ici un modèle 1A qui est suffisant, mais si on veut gagner en rendement, on peut en prendre une plus grosse, 3A, 5A, voire même 10A.


    Pour des tensions supérieures à 5V:
    Si on a besoin de tensions plus élevées, il est préférable de modifier la structure de sortie; bien qu'il soit possible de générer directement des tensions de plus de 12V en mettant une zener ad-hoc, ce n'est pas recommandé à cause de la perte de rendement qui s'ensuivra:
    La tension de conduction aux bornes de la self est comprise entre 150 et 200mV, selon le transistor employé; la tension lors du blocage monte à 3.6V pour 3V de sortie; cela signifie un rapport de boost de 20X environ. C'est déjà beaucoup, et c'est la limite si on veut garder un bon rendement. Au-delà, le dV/dt aux bornes de la self devient tel que ses pertes parallèles augmentent sérieusement. Ces pertes qui sont couramment appelées "pertes fer" mais qui comprennent aussi des pertes causées par le cuivre, peuvent être minimisées avec des ferrites hautes performances et du fil divisé, mais il y a des limites.
    Pour ces raisons, dès 2.5V de sortie, on peut ajouter un enroulement à la self: de cette façon, l'augmentation de tension se fera non seulement par effet inductif, mais aussi par le rapport de transformation, ce qui va diminuer les contraintes sur la self.
    On peut soit mettre un enroulement complètement indépendant, ce qui permet d'avoir un secondaire flottant, ou adopter une structure d'auto-transfo en ajoutant l'enroulement entre le collecteur et la diode.
    Avec cette méthode, il n'y a pas de limite à la tension pouvant être atteinte.

    A suivre..
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  6. Tropique

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    Regarde maman: sans les mains!

    Continuons, avec une variante qui ne fait pas appel à une astuce pour le démarrage.

    Certains se sont probablement fait la réflexion que, pour le démarrage de la version 1 j'avais quelque peu triché: il y a une connection en amont de l'interrupteur On/Off.

    Dans la version 2, rien de tel: plus d'astuce ou de truc, c'est réellement une alimentation en deux fils.
    Ici, le démarrage est réalisé grâce à un circuit résonant, composé de L1 et de C2.
    A la mise sous tension, C2 est déchargé et commence à se charger par L1; la tension arrive au niveau de l'alimentation, et à ce moment, le courant dans L1 est maximum. Ce courant continue à charger C2 au-dessus de la tension d'alimentation, jusqu'à atteindre deux fois celle-ci, ce qui permet le démarrage de l'oscillateur, comme dans la version précédente.
    Pour que le circuit fonctionne bien, il faut un certain nombre de conditions: la fréquence de résonance du circuit de démarrage doit être très éloignée de la fréquence de fonctionnement du convertisseur, et l'impédance de C2 doit être faible pour ne pas modifier l'attaque de base du transistor. Il est donc nécéssaire d'utiliser des éléments de valeur élevée.
    En plus, les pertes de ces éléments doivent être faibles, pour que la tension soit exactement doublée. Il est donc indispensable d'utiliser une self ferrite à faibles pertes, et un condensateur au plastique.
    Toutes ces exigences signifient que ces composants sont encombrants, en fait chacun d'eux l'est autant que tout le reste du convertisseur.
    Cette version est donc plus un "tour de force", qu'autre chose, car rares sont les cas où la version 1 ne serait pas utilisable.
    En plus, même avec des éléments de bonne qualité, il y a de petites pertes qui signifient que la tension de démarrage sera un peu plus élevée: il faut 255mV pour un démarrage fiable, contre 235mV pour la version 1.
    Cette version est donc plus une curiosité intéréssante qu'autre chose.

    A suivre...
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  7. Tropique

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    De plus en plus fort! Où cela va-t-il sarrêter?

    Avant de lire cette discussion, peu d'entre vous auraient imaginé qu'il fût possible de faire démarrer un convertisseur à BJT/Si à 250mV.

    Aller encore plus bas parait tout à fait impensable.... ...Vraiment?
    Et pourtant: les plus fûtés auront peut-être remarqué que les deux méthodes de démarrage, bien que différentes, ne sont pas incompatibles entre elles.... vous commencez à voir où je veux en venir..... Est-ce possible?

    Et bien OUI!! On peut parfaitement "empiler" les deux circuits de démarrage, de façon à appliquer à la base du transistor une tension de démarrage égale à 4 fois la tension d'alimentation: au lieu de connecter la self du circuit de démarrage au positif de l'alimentation, il suffit de la brancher sur l'armature positive du condensateur de démarrage de la version 1, et banco! Notre convertisseur peut maintenant démarrer à une tension théorique de 125mV. Assez hallucinant, non?
    Bon, il faut un petit peu tempérer tout celà: déjà, nous avons vu qu'en dessous de 150mV, on ne peut pas extraire de puissance significative, même si l'oscillation est possible. D'autre part, les pertes du circuit résonant et le gain plus faible du transistor à Vce réduit signifient que la tension effective de démarrage sera plus élevée, dans les 130mV. Cependant, la performance est intéréssante, et peut même se montrer utile: dans les cas où la tension d'alim disponible est comprise entre 150et 250mV, et où le volume des composants de démarrage n'est pas un problème, cette technique peut fournir une solution.
    Maintenant, il ne reste plus qu'à mettre un transistor au germanium, et on aura un convertisseur capable de démarrer bien en-dessous de 100mV DC....
    Mais n'y aurait-il pas une autre solution, encore plus astucieuse???
    Je vous laisse réfléchir à cette question... on pourrait presque mettre ça en énigme, dans la section "science ludique".
    Plus sérieusement, même si c'est possible, cela a t-il un intérêt?
    Dans l'état actuel de la technologie, pas réellement: même avec les transistors Zetex, qui sont phénoménalement performants, le Vce sat résiduel est trop élevé pour pouvoir exploiter de tels niveaux de tension. Il est possible que cela change, cependant: si des applications ultra-basses tensions se multiplient, les fabricants vont commencer à s'intérésser à la question, et essayer d'améliorer leurs processes pour arriver à proposer des produits utilisables dans ces conditions. Encore un peu de patience...

    A suivre...
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  8. Tropique

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    Et pour conclure.... (provisoirement)

    Voici pour terminer quelques remarques et réflexions en vrac.

    Il y a peut-être des cas où, paradoxalement, ce circuit est "trop" performant: si la source d'alimentation est plus élevée que 0.25V, tout en restant hors de portée des solutions classiques, que peut-on faire?
    Jusqu'à 0.5~0.6V, il n'est pas indispensable de faire des adaptations, le circuit fonctionnera tel quel; tout au plus pourrait-on augmenter la valeur de R3. A partir d'environ 0.47V, il démarre spontanément, sans le "kick-start" du circuit de démarrage.
    Si on veut monter encore plus, jusqu'à 1.5V, on peut continuer à augmenter R3 pour garder un courant de base raisonnable, mais ce n'est pas la meilleure solution, surtout si la tension d'alimentation varie beaucoup, car la polarisation variera également. A partir de 0.6~0.7V, il vaut mieux ramener R3 à la masse et compter sur C2 pour le kick-start, la polarisation deviendra indépendante de l'alimentation.
    On pourrait éventuellement aussi envisager une polarisation avec une diode en sens direct.

    Si on veut expérimenter avec ce type de convertisseur, il est utile de se doter de certains accessoires: il a déjà été question de l'inductancemètre, qui facilite pas mal la vie pour un investissement en temps et en argent minime, mais ce qui est vraiment indispensable, c'est une alimentation adaptée à ce genre de manip.
    Si on a une alim de labo sérieuse et professionnelle d'une bonne marque, pas de souci, elle pourra descendre à 0V, aura une résistance de sortie de l'ordre du milliohm et aura une option 4 fils. Avec du matos vendu pour les amateurs, ça risque d'être moins glorieux: il se peut que "l'alimentation variable 0 à 30V" soit en fait 0.3 à 30V. Dans des circonstances ordinaires, c'est sans importance, mais pour nos expériences, c'est catastrophique.
    De plus, les caractéristiques ne sont souvent pas brillantes: on risque de se retrouver avec une résistance interne se chiffrant en dizaines de milliohms, ce qui est gênant pour nous.
    Et enfin, les performances à très basse tension sont fréquemment assez mauvaises: les modèles bon marché sont basées sur des ICs normalement incapables de descendre à 0V, autour desquels on bricole une astuce pour retrancher un offset. Le résultat est une stabilité éxécrable autour de 0V.
    Si vous n'êtes pas équipé d'une alim adéquate, je vous propose une solution qui permettra de vous en tirer sans casser votre tirelire. Il suffit d'avoir une alim style PC, récepteur satellite ou set-top box, etc, ayant une sortie 3.3V ou 5V fort courant, et une sortie 12V. De telles alims sont très courantes.
    Il suffit de mettre à la sortie un régulateur du type de celui dans "LoVoPSU" pour disposer d'une source ayant toutes les caractéristiques désirables pour nous, à un prix démocratique (fixer le MOS sur un radiateur suffisant).


    Passons maintenant à des considérations plus "philosophiques":

    Est-ce vraiment utile de se torturer les méninges pour arriver à ce genre d'exploit?
    Pas mal pensent probablement qu'il s'agit d'un exercice de style sans utilité réelle: les tensions les plus basses de pile ou d'accu sont de 1.2V, alors à quoi bon développer un circuit pour lequel il n'existe pas de source commerciale. Je pense que c'est précisément là qu'il faut faire la différence: tant qu'il n'existait pas de circuit capable de fonctionner à ces tensions, il n'y avait pas non plus de raisons pour développer des sources, et vice-versa.
    C'est la vieille histoire de l'oeuf et de la poule.
    Ceci n'est qu'un premier pas, qui devrait donner accès à des sources d'énergie normalement difficilement utilisables, parce que difficiles à mettre en série: on peut citer les "earth battery" p.ex.:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Earth_battery
    C'est loin d'être le seul, et il y a aussi tous les cas où la mise en série d'éléments est possible, mais difficile et/ou coûteuse. Et puis, même quand il n'y a pas d'obstacle à la mise en série, c'est quand même plus simple de se contenter d'un seul élément: cellules solaires, piles à combustible, etc.
    On peut encore émettre des objections: les performances p.ex..
    Pour ceux qui sont habitués à lire les feuilles de caractéristiques des convertisseurs, et voient dans la colonne "rendement" des chiffres tournant généralement autour de 95%, une valeur de l'ordre de 50% peut sembler risible.
    Il faut voir un peu plus loin que ces simples chiffres cependant: obtenir 50% dans ces conditions est extrêmement difficile, et de toutes façons, la source d'énergie est essentiellement gratuite. Et puis, si on compare ce chiffre avec les cellules solaires ou avec des machines thermodynamiques, on n'est pas si mal.
    Enfin, il faut se dire que ce n'est que le début: il y a plus dans 1000 crânes que dans un, et d'autres vont certainement trouver des améliorations, créer d'aures topologies, etc. De plus, à partir du moment où ça démarrera, une dynamique va se mettre en place: les composants actuels ne sont pas bien adaptés à ce type d'application, mais si un marché émerge, cela va changer.
    Une petite anecdote à ce propos:
    Il y a plusieurs années que je réfléchis à cette problématique, et à l'époque, j'étais arrivé à la conclusion que les jFETs étaient la solution: il n'y a pas de limite théorique à leur tension de fonctionnement, et j'avais pu construire des convertisseurs démarrant à 150mV. Le problème, c'est que les jFETs n'existaient qu'en petites puissances. J'ai donc essayé de convaincre des grands fabricants de semiconducteurs de s'intérésser à la question: fabriquer un FET à déplétion de large surface n'aurait pas été difficile, et aurait permis d'ouvrir ce domaine d'applications. Mais, à l'époque le marché n'était pas mûr, et bien qu'on m'ait écouté courtoisement, absolument rien n'en est sorti...
    Et puis, curieusement, peu d'années après, un outsider est sorti de nulle part: Lovoltech, qui proposait des FETs à déplétion de puissance. Bien que ce soit plutot dans l'optique de faire des "smart-switches", c'était exactement ça. Etrange effet de synchronicité...
    Lovoltech n'a été qu'une étoile filante, et a rapidement été racheté par Qspeed, qui malheureusement semble se soucier du portfolio hérité de Lovoltech comme d'une guigne... à se demander pourquoi ils les ont rachetés.
    Bon, arrêtons là ces divagations, maintenant, est-ce de la masturbation intellectuelle ou au contraire une technologie d'avenir? Je vous laisse juge.

    Tant que j'y suis, encore une tentative pour uploader les fichiers image récalcitrants, mais ça a encore l'air de résister..

    PS: est-ce qu'un modérateur pourrait transférer la discussion vers les "projets"
    Merci
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  9. Tropique

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    Re : Et pour conclure.... (provisoirement)

    Une petite arrière-pensée:

    En plus de la tension (positive) de sortie principale, il est également possible d'obtenir une tension auxiliaire négative "gratuite".
    Sur la base du transistor, il y a une impulsion négative pendant la période de flyback, causée par la décharge du transformateur de courant. Cette impulsion n'est limitée que par la tension de claquage B-E du transistor, et vaut entre 10 et 16V, selon le transistor.
    Si on récupère cette tension au moyen d'une diode, on peut générer une alimentation négative. Il n'est cependant pas possible de s'en servir comme d'une alimentation normale: la moindre charge perturberait le fonctionnement du convertisseur, par contre, elle peut parfaitement servir de source de polarisation, pour des capteurs ou des ICs p.ex.: les commutateurs CMOS CD4051 à 4053 peuvent traiter des signaux alternatifs à condition que la pin Vee soit plus négative que le minimum de signal, et le courant absorbé est négligeable, c'est donc une application idéale.
    Si l'imprévisibilité de la tension obtenue (elle dépend de l'exemplaire de transistor utilisé) est un problème, on peut la limiter avec une zener, 10V p.ex.
    Tant que sa tension n'est pas trop basse, on n'a pas à se soucier du courant qui la traverse: il suffit que la tension soit assez élevée pour permettre la remise à zéro du circuit magnétique pendant la durée du flyback; jusqu'à 8.2V, cela devrait être possible, il faut éventuellement expérimenter avec les composants réels utilisés.
    Noter que si les composants de récupération D3/C4 sont installés, la tension disponible sera plus limitée.
    A+
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  10. sebtux74

    Date d'inscription
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    Re : Et pour conclure.... (provisoirement)

    Bonjour,
    Je suis interessé par ce type de montage et vous mentionnez que "le circuit va faire l'objet d'une publication dans les semaines à venir".
    Dans quel magazine ou ouvrage le montage a donc été publié?
    Merci
     

  11. sebtux74

    Date d'inscription
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    Re : Je n'arrive pas à faire marcher ces schémas :-(

    Bonjour,
    J'ai essayé les différents schémas proposés dans ce topic mais je ne suis jamais arrivé à faire osciller le circuit.
    Pour commencer voici ma nomenclature
    Transistor ZTX869
    FERRITE 13.25MM Al=2200nH ui=4300 ref farnell 178504 (Utilisé pour le transfo et les bobines)
    Fil émaillé isolé Diamètre 0.315mm ref farnell 1230977 (Utilisé pour le primaire du transfo (5 tours) et la self 30uH (4 tours)
    Fil émaillé isolé Diamètre 0.19mm ref farnell 148731 (Utilisé pour le secondaire du transfo (50 tours) et la sefl 220mH (100 tours) d'après les calculs la self ferait 22mH
    Pour C3 j'ai utilisé en condensateur de récupération 3300uF 50V
    Pour C2 schéma v1 220uF 25V
    Pour C2 Schéma v2 470nF car L1=22mH au lieu de 200mH
    R3 et R4 résistance standard.

    Résultat marche pas du tout... je comprends pas pourquoi. J'ai fait varier la tension d'alim de 250mV à 1V et les oscillations n'ont jamais démarrés... J'ai testé mon transfo avec un GBF et une tension sinusoïdal et le transfo amplifie bien par 10 la tension d'entrée. Je l'ai bobiné avec des spires au secondaire dans le sens inverse mais par contre je ne comprends pas sur le schéma la subtilité dans le bobinage d'avoir mis "le point" en bas du transfo au secondaire. C'est juste pour informer par convention le sens du courant de sortie?
    Est-ce que vous pouvez m'aider? J'aimerai faire marcher le schéma de version 1 simplifié dans un premier temps. Si je comprend bien les oscillations devrait fonctionner grâce à C2 et L2 avec la formule f=1/(2*Pi*racine(C2*L2))

    Pourquoi dans la version officiel situé ici:
    http://electronicdesign.com/Articles...rticleID=19152
    La polarisation de C2 est-elle inversée par rapport à la version de ce post?

    Merci d’avance pour votre aide
     

  12. Tropique

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    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    -Le transistor devrait convenir.

    -La ferrite, si c'est celle-ci:
    http://www.farnell.com/datasheets/28602.pdf
    convient pour le transfo (c'est une bonne idée d'inclure les urls directes vers les produits cités).

    -Cette ferrite ne convient pas pour la self de 30µH: il est bien expliqué qu'il est nécéssaire d'avoir une self avec entrefer. Dans un tore, il n'y a pas d'entrefer possible. Eventuellement, il est possible d'utiliser un matériau à entrefer réparti, genre poudre métallique (comme les selfs d'alims à découpage). Avec de la ferrite, il faut créer l'entrefer soi-même.

    -Le fil est adéquat pour le transfo, mais léger pour la self: le rendement sera catastrophique avec la résistance du fil 0.315. Il faut arriver dans les milliohms.

    -C3 a peut-être une valeur trop élevée qui causerait des problèmes de démarrage. Avant de commencer à faire des modifications par rapport au schéma d'origine, qui est éprouvé, il faut commencer par le reproduire, et une fois qu'il fonctionne, on peut tenter des variations.

    -Le point du transfo est en bas pour repérer le sens des enroulements, qui est crucial pour le bon fonctionnement. "Bobiner en sens inverse" ne veut rien dire, il faut que les enroulements suivent la phase indiquée sur le schéma. Dans le doute, il suffit d'intervertir les deux fils d'un seul enroulement pour voir si ça démarre: on ne sait rien casser.

    -Il est important d'utiliser C5, et de comprendre la séquence de démarrage: la tension d'alim doit être appliquée avec l'inter d'alim ouvert, ensuite on peut le fermer. Il faut un inter de bonne qualité, qui donne une commutation franche pour assurer le démarrage correct. Si ça n'a pas démarré, il faut le rouvrir, attendre une ou deux secondes et le fermer à nouveau. Si la tension d'alim est simplement appliquée telle quelle au montage, rien ne va se passer.

    -La polarité de C2 est indifférente: selon les phases de fonctionnement, il recevra l'une ou l'autre polarité, mais les tensions présentes sont trop faibles pour poser des problèmes.

    -La version V2 est une curiosité, qui n'est pas destinée à être utilisée en pratique. Mais pour la faire fonctionner, il est en tous cas indispensable de respecter les valeurs indiquées.
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  13. sebtux74

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    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    Oui la documentation du tore est bien celle que j'ai utilisée.
    Je me suis trompé dans le précédent post j'ai mis 3300uF (au lieu de 4700uF) pour C5 et non pas pour C3 car je n’ai pas trouvé mieux.
    Dans un premier temps je n'ai pas mis la partie de redressement D2 et C3. Je désirerai obtenir une sinusoïde 10 fois plus grande au secondaire qu'au primaire pour valider mon circuit (j'ai un oscilloscope comme outils de mesure).
    N'étant pas du tout spécialiste en Self, j'ai quelques questions :
    Est-ce que ce type de pot ferrite conviendrait?
    ref fabriquant : EP13-3C90
    ref farnell : 3056697
    Al = 1650nH
    http://www.farnell.com/datasheets/77593.pdf
    Sinon, où est-ce que je peux me procurer dans le commerce un noyau ferrite faible perte avec entrefer adapté? Comment défini-t-on un entrefer adapté?
    Où puis-je trouver les exemples "Selfs N OK" et "Selfs OK"?
    Vous expliqué avoir torsadé 16 brins de 0.25mm ensemble, dans mon cas si je prends mon fil émaillé 0.315mm et que j'en torsade 13, je pourrais donc utiliser ce cordon pour bobiner ma self?

    Est-ce que ce type de self 33uH 13mOhm courant de court-circuit 1.1A pourrait convenir vu la faible résistance?
    Ref fabriquant : PM2120-330K-RC
    Ref farnell 1463516
    http://www.bourns.com/pdfs/pm2120_series.pdf

    Merci pour votre réponse
     

  14. Tropique

    Date d'inscription
    juin 2005
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    13 411

    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    Le noyau EP13 peut convenir, mais pas en version 1650nH: c'est celle qui n' a pas d'entrefer.
    Il faut prendre un des autres, ayant le Al le plus faible possible. Le but est d'arriver à remplir au maximum la bobine avec du cuivre, tu dois donc calculer combien de spires au maximum tu sais mettre avec le fil choisi sur le support de bobine. Avec ce nombre de spires, tu calcules le Al théorique pour avoir tes 39µH, et dans la liste, tu choisis la valeur immédiatement supérieure. Enfin, tu recalcules le nombre de spires corrigé en fonction de cet Al.
    Si tu veux approfondir le sujet pour dimensionner la self en fonction du courant, tu peux te baser sur les formules données ici:
    http://www.edn.com/contents/images/62404di.pdf

    Du fil de 13x0.315mm convient parfaitement.


    Dans ce convertisseur, le courant de crête vaut 5 à 6 fois le courant moyen consommé en supposant le rendement égal à 1. Par exemple, pour 100mW de sortie, Io théorique vaut 400mA sous 250mV, multiplié par 5.5 donne I^ de 2.2A.
    Les selfs "OK" peuvent se trouver dans des récups d'appareils ayant des convertisseurs ou alims à découpage, ou chez les revendeurs. Une simple lampe économique de bas de gamme est une excellente source: les composants inductifs sont adaptés à ce genre d'applications; voir plus haut comment les exploiter.
    La self Bourns de 33 ou 39µH devrait convenir si sa résistance DC est de 13mohm: elle accepte plus de 3A sans diminution notable de sa valeur.

    PS: il n'est pas nécéssaire d'avoir une précision extrême, et on peut tolérer des écarts de dizaine de %, mais il ne faut pas aller à 10X plus ou ou moins, c'est excessif et ça ne fonctionnera plus.
    Pas de complexes: je suis comme toi. Juste mieux.
     

  15. sebtux74

    Date d'inscription
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    56

    Re : [Sneak preview] Convertisseur ultra-basse tension

    J'ai refait un circuit en prenant en compte ce qui a été dit:
    Pour l'inductance L2 j'ai utilisé la 33uH Bourns (vu précédemment) j'ai pas pu m'approvisionner avec la 39uH
    Pour le transfo j'ai utilisé une FERRITE RM10/I-3C90 PAIR de FERROXCUBE avec ARMATURE RM10 1S 5P
    doc ferrite:
    http://www.farnell.com/datasheets/1623.pdf
    doc armature:
    http://www.farnell.com/datasheets/1616.pdf
    J'ai donc fait 5 tours au première et 50 tours au secondaire avec un fil émaillé 0.315mm
    Pour le condensateur C2 220uF 4V ESR=40mOhm
    http://www.farnell.com/datasheets/128808.pdf
    Transistor ZTX869

    Résultat:
    J'obtiens des oscillations sur le collecteur mais elles s'amortissent...D'où viendrait le problème?
    J'ai donc fait une simulation de l'oscillateur en version très simplifié avec PSIM (voir fichier joint) et effectivement R4 engendre un amortissement. Qu'est-ce que vous en pensez?
    A titre indicatif, pourquoi ne pas utiliser un quartz pour faire les oscillations?
    Merci
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