Alimentations à découpage discrètes

[Antoane]

Bonsoir,
Alimenter des LED de plus de 1W avec des résistances est une bien mauvaise solution : ça chauffe, la régulation en courant est plutôt mauvaise, C'est pas très joli... D'où l'intérêt de l'alimentation à découpage, qui est parfois trop peu fiable, souvent chère, toujours complexe, mais d'un bien meilleur rendement et tellement plus élégante... L'envie de faire fumer quelques transistors étant plus forte que tout, on sort la plaquette lab et zou.

En PJ un petit schéma, tout simple : un oscillateur (U1:A, R1 & C1) suivi d'un générateur d'impulsions (U1:B, R2 & C2), qui met à 1 la sortie d'une bascule RS dont les entrées sont actives sur des niveaux bas (U1:C & U1: D), qui sature le MOSFET de découpage Q1. Lorsque le courant atteint une valeur limite : I=Vref/R5, la sortie du comparateur bascule, mettant la bascule RS à 0. L'inductance se "décharge" alors dans la branche de LED jusqu'à ce qu'une nouvelle impulsion ne sature le N-MOS. La disposition de la branche de led fait du circuit une alimentation de type Buck-boost. D2 est ici une 1N4148, spécifiée pour un courant max de 200mA.

Un seul problème : la régulation, qui est très mauvaise, dépendante de Valim, et je ne vois pas pourquoi... L1 a une forte inductance dans mon proto (~8mH) de sorte que le courant ne s'annule pas, est presque continu.
Ou est l'erreur ?
Merci d'avance.

Un petit dipseul pour finir :
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[Tropique]

Bonsoir,

Sans encore entrer dans les détails, quelques vérifications de base (sanity-checks)

Le LM311 n' a pas de pull-up sur la sortie. Je suppose que c'est un oubli au niveau du schéma: en principe, ça ne devrait pas fonctionner du tout sans (encore que, entre injections de charge et potentiels baladeurs, on ne sait jamais).

Quand on regarde la boucle d'asservissement globale: MOS (non inverseur), comparateur (inverseur), U1D (inverseur), le signe semble positif, ce qui serait certainement un problème.

Si ces points sont éclaircis, la self de 8mH reste-t-elle linéaire jusqu'au courant de pointe demandé?

[polo974]

La 1N4148 ne sert qu'à consommer 0.7V... un strap à la place, et le rendement est augmenté de x%...

Si la tension de seuil des led dépasse vcc (par exemple 2 led blanches et alim 3v), brancher les led vers la masse, c'est toujours vcc de gagné...

Le LM311 est mal dessiné, et mal branché...

[louloute/Qc]

Le principe de ton switching est mauvais : tu arrêtes la charge dans ta self quand elle atteint un certain courant ; il te faudrait réguler le courant moyen dans tes Leds.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Antoane]

Désolé pour le schéma refait de tête depuis la platine et du coup truffé d'erreurs.
Il y a bien 1k de tirage vers le haut en sortie du LM311. La gate du BUZ11 est sur la sortie 10 de U1C, ya donc bien un nombre impair d'inversions.

La bobine ne me semble pas en cause : en PJ un test de linéarité (enfin, je crois). Fréquence du GBF : 500Hz, sensibilité verticale (CH1) : 100mA/div.
Sur mon proto, j'ai utilisé des led classiques, 20mA (R5=47ohm). Étrange quand même la chute de courant après arrivée à un sommet, à quoi est-ce dû ?

D2 est nécessaire, pardon : me parait nécessaire dans la mesure où les LED tiennent une faible tension inverse. Une Schottky serait plus appropriée.

Je ne vois pas ce qui te gène dans mon LM311 : http://www.national.com/ds/LM/LM311.pdf, la broche GND est bien reliée à l'alimentation négative (ie la masse), le problème serait peut-être que Prothéus a préféré mettre la pin1 (GND) en haut du schéma et la 7 (OUT) en bas....

Le principe de ton switching est mauvais : tu arrêtes la charge dans ta self quand elle atteint un certain courant ; il te faudrait réguler le courant moyen dans tes Leds.

on perdrait en simplicité... Le but est de rester en conduction continue (d'où la valeur exagérément grande de l'inductance) pour que le courant servant à la mesure soit proche du courant moyen dans les led.
Merci encore pour votre aide.

[Tropique]

Le test de linéarité de la self n'est pas très probant: la pente devrait être de ~1.2A/ms, mais comme la fréquence de mesure est basse et la résistance shunt de 10ohms élevée, ça part très vitte à des valeurs excessives, et le MOS se désature parce que sa tension G-S devient insuffisante.
Il me semble quand même voir une inflexion suspecte.

Mais en principe, comme ta fréquence de base a l'air assez élevée, ça ne devrait pas trop être un probléme.

Par contre, cette même fréquence cause peut-être des soucis de délais de propag dans la boucle courant, et des effets d'injection de charge qui faussent la mesure dans R5, dont la valeur est relativement élevée.
D'autre part, ta tension de référence va également varier quelque peu avec Vcc, la diode n'étant pas un régulateur parfait.

Tout cela mis ensemble peut expliquer une régulation médiocre, il faudrait faire des mesures et des tests pour le confirmer.

[Tropique]

C'est possible de faire un circuit complètement discret pour cette fonction.
Voici un exemple, délivrant 20mA +/-10% à une LED (symbolisée par 3 diodes Si en série, D1 D5 D6) à partir d'une tension d'alim de 18 à 60V.

Si tu ne souhaites pas "polluer" ton esprit tant que tu continues à raffiner ta propre création, tu n'es pas obligé de regarder les PJ immédiatement.....

[Antoane]

Avec une résistance de 1ohm, une mesure à 2,06kHz donne une pente de 0,5A/ms. Même résultat à 3,92kHz.

J'ai rajouté un driver de MOS et ai amélioré la référence de tension avec une LM341suivie d'un pont diviseur par 2. R5=47ohm. J'ai différentié l'alimentation du montage (LM311, 4093, driver : 11V) et celle de la partie "lumière", variable. Les alimentations étant branchées, je retire la bobine pour voir ce qui se passe... en général, pas grand chose : la grille reste à 1 (c'est plutôt bon signe), mais parfois, ça continue à découper, la sortie du comparateur ayant un rapport cyclique de 0,5 (assez précisément). Celui du signal de gate est alors de 10% environ. Cela peut-il venir du courant de charge de la capacité gate-source ? ou d'ailleurs ?
De plus, la led s'illumine (~1mA) pour des tensions d'alim faibles (<1,8V), inférieures à sa tension de seuil (?). Cgd ? dans ce cas, il faudrait seulement que Von_driver-Valim_bobine > Vseuil ?
Même résultat que L fasse 8mH ou 100µH.
L'oscillateur tourne à 500kHz.

"Régulation" toujours pitoyable de 1,5 à 18V pour Valim_bobine : Iled valse de 3 à 40mA, de manière plutôt linéaire
Que L vaille de 100µ ou 8mH.

[Tropique]

Donc, ta self fait 20mH, ce qui est assez énorme.
Surtout vis-à-vis de la fréquence de découpage.
Tu pourrais te contenter d'une ondulation du courant de 10% par exemple, ce qui conduirait à un Toff de ~10µs dans ton cas, donc une période de p.ex. 20µs si la tension d'alim est identique à celle de la LED (à la louche).
Ca donne des fréquences déjà un peu plus raisonnables, bien qu'encore assez élevées compte tenu des composants utilisés.
Il faut dire que le courant de crête est assez minuscule avec la 47ohm, et avec ses 1 ou 2nF de capa d'entrée, le MOS va injecter pas mal de parasites de la commande.
Il faudrait calmer un peu tout ça, en mettant qques dizaines de nF en //.
Pour un courant aussi faible, il vaudrait mieux un petit bipolaire, ou à la rigueur un petit MOS à faible capacité, genre BS170 ou 2N7002.

[bird12358]

Bonjour,
je viens de suivre cette discution passionnante sur ce sujet.
Mais j'ai une question. Le LM311 ne doit pas etre cablé differemment ?
Le pont de resitance sur l'entrée inverseuse et la resistance qui evalue le courant dans l'inductance sur l'entrée +?

[Antoane]

Bonsoir,
non : la sortie 10 de la bascule a été mise à 1 par une impulsion négative sur l'entrée 8, donc le transistor de découpage est saturé. Le courant s'établit alors dans R5, la sortie du comparateur est à 1. Lorsqu'il atteint 0,6V/R5, la sortie du LM311 passe à 0, ce qui provoque le passage à 1 de la broche 11, donc la 10 passe à 0, le mosfet est bloqué.

La bascule est une RS barre : elle fonctionne en logique négative.
La grille de Q1 est reliée à la sortie 10, le schéma post1 est faut.

[bird12358]

Merci de ta réponse.
Mais je ne comprend pas quelquechose. Le fait de bloquer le mosfet va interrompre le courant dans la resistance. Ce qui fera passer la tension au borne de R5 à 0. Donc le reset de la bascule est mis à zero et attend une autre impulsion sur le set.
Mais lorsque ca se produit, rien ne dit que le courant passe sous la barre voulu. Non??

[Antoane]

Lorsqu'on bloque le MOS, l'inductance "veut" assurer la continuité du courant qui la traverse, rendant passantes la branche de diodes. A cause du principe de conservation de l'énergie (le salaud), ce courant va décroitre pendant tout le temps ou le mosfet sera bloqué (bah oui : la soule source d'énergie est la bobine, et on consomme de cette énergie). Lorsqu'on le sature, le courant est donc inférieur à la limite.
Même dans le cas ou il ne diminuerait pas, le système bien conçu et perfait bloquerait le transistor immédiatement après l'avoir saturé. C'est ici pas possible, notamment à cause de la duré de l'impulsion qui n'est pas nulle (et des divers temps d'établissement & de propagation).

[bird12358]

Bonjour,
merci de ta reponse.
Par contre pourquoi à la place de la bascule RS/ tu n'as pas tout simplement mis une porte NAND?

[bird12358]

Nan en fait j'ai rien dit...
Parce qu'en fait quand je fais des testes en sortie de bascule je vois toujours 1. Ca ne change pas. Et comme la sortie ne depasse pas la consigne ca reste pareil.

[Antoane]

Tapisserie achevée (c'est tellement plus facile lorsqu'il n'y a pas de raccord et que c'est du papier vinyle), me revoici sur l'oscilloscope.
Et c'est beaucoup mieux.
En plus de tes conseils, j'ai augmenté le rapport cyclique minimal (c'est bien mieux que de dire que j'ai augmentée la durée de l'impulsion de mise à 1), le faisant passer de 1% à 4,2%. La topologie a changée, on est passés en buck, pour mieux visualiser le courant dans les led. I est à peu près constant jusqu'à Valim_led=~25V, au delà il augmente (dc mini trop grand ?)
Bref, ça marchote suffisamment pour me laisser croire que j'ai réussi, mais pas assez pour passer au fer à souder.

Une autre idée pour la régulation : un comparateur à fenêtre ; du coup pas besoin d'horloge, une fréquence de découpage qui s'adapte à la valeur de l'inductance... C'est-y valable ?
Merci pour tes conseils.

[Tropique]

Oui, c'est tout à fait possible: c'est le principe qui était utilisé par certains convertisseurs "préhistoriques", et paradoxalement, c'est également un principe qui est inclu dans la plupart des ICs modernes: ceux-ci fonctionnent en mode courant, avec une boucle locale fonctionnant de la façon que tu décris.
Cette boucle interne est elle même pilotée par la boucle tension, celle qui est visible extérieurement.

[Antoane]

C'est donc ça, les "current mode controller"....

J'ai regardé rapidement ton schéma, m'y remettrai sous peu.
Merci encore de tes conseils.


PS : et désolé d'avoir été si long à répondre...
PS2 : "En théorie, il n'y a pas de différence entre la théorie et la pratique, mais en pratique, il y en a." Jan van de Snepscheut

[bobflux]

J'ai un projet en cours pour piloter des LEDs avec une source de courant à découpage comme ça.

C'est extrêmement simple, je vais utiliser un "hysteretic buck". En gros tu as une résistance qui te donne une tension proportionnelle au courant dans l'inductance, et un comparateur à hystérésis qui drive le MOSFET. La fréquence de commutation dépend des tensions d'entrée, de sortie, et de l'hystérésis.

Les avantages sont la simplicité, pas de compensation, coût faible, meilleur rendement possible. L'inconvénient c'est que tu ne choisis pas la fréquence, donc si tu veux faire du multiphase c'est pas bon.

[Tropique]

Un peu comme ceci:
http://forums.futura-sciences.com/el...ml#post2834912
Ici, la valeur régulée est la tension mais c'est ce principe.

[Antoane]

Bonjour,
Jusqu’à il y a encore un quart d’heure, je pensais (ou pas loin) avoir révolutionné le monde de l’électronique. A ceci près que Bobfuck (et peut-être un ou deux autres) y avait pensé avant moi. Je vous présente quand même ma petite alim, qui fonctionne bien, en simu et en vrai.
Le principe de la régulation courant est simple : on utilise un comparateur à hystérésis pour faire osciller la valeur du courant autour d’une valeur nominale. Le capteur de courant, c’est R1. R1 est située dans le rail positif de l’alimentation, on va faire « descendre » l’information au niveau de la masse à l’aide de Q2. Finalement, la tension image du courant circulant dans la led est prélevée aux bornes de R3. D4 fournie une référence de tension autour de laquelle tournent les tensions de seuil du comparateur. C’est une référence très imprécise mais c’est ici sans grande importance puisque la tension de référence permettant vraiment la régulation du courant est fournie par le Vbe de Q2. Par suite, le courant RMS dans la led vaut quelque chose comme : Vbe/R1, Vbe~0,7V.
L’alimentation n’aurait pas vraiment besoin d’être stabilisée par zener si M1 avait eu le bon gout de ne pas être un modèle à l’exotisme si poussé qu’il n’accepte pas plus de 6V de Vgs (j’ai été un peu court niveau MOSFET ces derniers temps ).
R2, Q1 et D1 constituent le driver de M1.
Les résultats sont plutôt bons, aussi bien côté régulation que rendement, sachant que les tests sont fait avec pour charge une unique led blanche de 1W.
La tenue en température n’est pas excellente puisqu’on a un tempco d’environ -2,2/R1 (en mA/°C), soit : -0,3%/°C. C’est pas énorme, mais c’est trop, et je ne vois pas trop comment y remédier. La seule solution que j’ai trouvé, c’est de faire varier ma tension de « référence », celle fournie par D4, en fonction de la température. Point positif : d’après les équations (j’aime pas les équations) : ça marche. Problème : c’est une usine à gaz, qui demande notamment un AOP trop exotique pour être un LM358, ou même un TL081 et un second transistor. Ou pire : pour être précis : un double transistor !
Donc ça va pas. Un petit coup de pouce ?
Autre question ; une solution pour diminuer R1 ? Mis à part rajouter une résistance de base et un entre base et émetteur, ou passer au germanium, je vois pas trop…
Enfin, D1 est une schottky parce qu'elle trainait sous l'oscillo, n'importe quelle diode convient, tant que ce n'est pas un veau, non ?
Merci de m’avoir lu !

[Tropique]

Bonjour,
Jusqu’à il y a encore un quart d’heure, je pensais (ou pas loin) avoir révolutionné le monde de l’électronique. A ceci près que Bobfuck (et peut-être un ou deux autres) y avait pensé avant moi.

Ne t'inquiète pas: mieux vaut enfoncer soi-même la grande porte, même si elle est ouverte, plutot que de compter sur un guide pour se faufiler par le vide-ordures.
Des personnes illustres t'y ont précédé, mais ce n'est pas une honte, que du contraire.

Le principe de la régulation courant est simple : on utilise un comparateur à hystérésis pour faire osciller la valeur du courant autour d’une valeur nominale.

Les premiers convertisseurs buck étaient auto-oscillants à hystérésis (pour la tension évidemment)

L’alimentation n’aurait pas vraiment besoin d’être stabilisée par zener si M1 avait eu le bon gout de ne pas être un modèle à l’exotisme si poussé qu’il n’accepte pas plus de 6V de Vgs (j’ai été un peu court niveau MOSFET ces derniers temps ).
R2, Q1 et D1 constituent le driver de M1.

Une alternative est d'employer la zener pour clamper la sortie du comparateur

Les résultats sont plutôt bons, aussi bien côté régulation que rendement, sachant que les tests sont fait avec pour charge une unique led blanche de 1W.
La tenue en température n’est pas excellente puisqu’on a un tempco d’environ -2,2/R1 (en mA/°C), soit : -0,3%/°C. C’est pas énorme, mais c’est trop, et je ne vois pas trop comment y remédier. La seule solution que j’ai trouvé, c’est de faire varier ma tension de « référence », celle fournie par D4, en fonction de la température. Point positif : d’après les équations (j’aime pas les équations) : ça marche. Problème : c’est une usine à gaz, qui demande notamment un AOP trop exotique pour être un LM358, ou même un TL081 et un second transistor. Ou pire : pour être précis : un double transistor !
Donc ça va pas. Un petit coup de pouce ?

Plutot que de se baser sur le Vbe, on peut le compenser, et se baser sur une référence plus stable en T°.
On peut en profiter pour réduire la tension perdue dans R1.


Des variantes sont possibles: mettre l'émetteur de Q2 en entrée, et inverser le signe dans la suite du traitement.

Pour la référence, elle ne doit pas forcément être explicite, on peut essayer de jouer sur des différences de densité de courant, et compenser en T°.

[bobflux]

Jusqu’à il y a encore un quart d’heure, je pensais (ou pas loin) avoir révolutionné le monde de l’électronique. A ceci près que Bobfuck (et peut-être un ou deux autres) y avait pensé avant moi.

LOL.
Le buck à hystérésis, c'est un truc assez courant, Cypress met ça dans ses drivers de LED, y en a même dans certains DC-DC ultra-rapides pour alimenter les cpu...
C'est simple, performant, et facile à mettre en oeuvre, mais le courant n'est pas régulé précisément.

Dommage, j'ai pas altium d'installé (et mon pc windobe est mort, d'ailleurs) donc je ne peux pas te faire une copie du schéma...

Grosso modo j'ai mis un driver de MOS synchrone (ADP3120) + un MOS double en SO-8 (AO4840), inductance je crois 33µH, etc, et un comparateur rapide (de chez maxim mais j'ai oublié lequel) qui mesure le courant sur une résistance dans la masse de la charge, et un PWM sur le Enable du comparateur pour contrôler l'intensité. Et un tas de condensateurs de découplage. Ça tourne à 250 kHz environ, le rendement est de 90-95%. Par contre, le contrôle de l'intensité est à chier, il n'y a pas de régulation du courant moyen, donc le truc sait faire quelque chose comme 15 niveaux de puissance différents. Juste ce qu'il me fallait, en somme. 5€ environ (en comptant le nichicon R7 à la sortie...)

Sinon, pour rester dans l'idée de faire le truc le plus simple possible en discrets, faudrait virer le comparateur, c'est beaucoup trop évolué comme composant , et aussi le driver de MOS, et remplacer le tout par un hextuple trigger de schmitt 74AC dont le courant de sortie est assez balaise, mais éviter de trop tirer dessus quand même, donc mettre un MOS avec pas trop de Qg, ou pourquoi pas, un bipolaire magique à Vcesat ultra bas (demande à Tropique).

Donc juste garder la résistance en haut pour mesurer le courant, le transistor dessus, une résistance en bas, un trigger de schmitt, et le MOS. Avec éventuellement un petit condensateur pour ajouter du retard de phase que ça oscille bien.

Quand à la régulation du courant moyen dans la LED, là bien sûr ce sera totalement aléatoire, je suggère donc une petite thermistance collée dessus pour réguler la température de la LED et non le courant qui passe dedans. Ou alors une LDR pour mesurer la lumière émise.

Pour le rendement, le plus important c'est la commutation bien propre du MOS. Une fois que c'est réglé, chasse aux résistances parasites.

Aussi, plus t'envoies de courant dans la LED, plus son rendement lumineux baisse. Or, le courant d'ondulation est généralement important (sinon grosse inductance, pertes fer, pertes cuivre, etc). Donc un condensateur en parallèle avec la LED permet de lisser le courant, et augmente en fait le rendement lumineux, sans rien changer du tout au rendement électrique. De plus, si ta LED a un Imax de 1A mettons, et que t'as 1A moyen dans l'inductance, sans le condensateur, la moitié du temps I>Imax...

[Tropique]

Un petit peu d'archéologie micro-électronique, pour illustrer les régulateurs hystérétiques (avant les ICs, ça se faisait aussi, mais en transistors discrets, voir documents de Herman Schreiber).

Cela date de l'époque où la National Semiconductor Corporation avait 1 (oui, un) circuit intégré à son catalogue: le LM100.
Il s'agit de l'AN-2 (l'AN-1 concernait les applications généralistes du même circuit).

Un petit tribut à Bob Widlar:
100_5114.JPG

Ici, la description théorique du convertisseur auto hystérétique:
100_5117.JPG

100_5118.JPG

100_5121.JPG

100_5122.JPG

Suite au prochain message

[Tropique]

Voici:

100_5124.JPG

100_5126.JPG

N'oubliez pas que ce matériel date de 1967-69.

[bobflux]

C'est dans les vieux pots qu'on fait les meilleures soupes !

Y aurait sûrement moyen d'en trouver un à lampes...

[polo974]

C'est dans les vieux pots qu'on fait les meilleures soupes !

Y aurait sûrement moyen d'en trouver un à lampes...

Oui, mais vu la taille, ce sera une "Alimentation à découpage indiscrète"

[Antoane]

Merci pour toutes vos réponse.

alternative est d'employer la zener pour clamper la sortie du comparateur

C'est mieux ?


J'ai globalement compris le schéma, mais malgré une nuit (et à Brest, en cette saison, les nuits sont longues), LTSpice, une cafetière et un tube de comprimés d'aspirine, j'ai pas réussi à trouver l'utilité de R2 ; raidir les fronts ? LTS n'a pas l'air vraiment d'accord...

J'ai pas encore pris le temps de regarder ton document.

C'est simple, performant, et facile à mettre en oeuvre, mais le courant n'est pas régulé précisément

Pourquoi ? si les seuils sont indépendants de la tension d'alim, ça devrait marcher, non ?

Aussi, plus t'envoies de courant dans la LED, plus son rendement lumineux baisse. Or, le courant d'ondulation est généralement important (sinon grosse inductance, pertes fer, pertes cuivre, etc). Donc un condensateur en parallèle avec la LED permet de lisser le courant, et augmente en fait le rendement lumineux, sans rien changer du tout au rendement électrique. De plus, si ta LED a un Imax de 1A mettons, et que t'as 1A moyen dans l'inductance, sans le condensateur, la moitié du temps I>Imax...

Je prend note...

Y aurait sûrement moyen d'en trouver un à lampes...

Cool... 'Faut que j'me mette aux tubes !

Sinon, pour rester dans l'idée de faire le truc le plus simple possible en discrets, faudrait virer le comparateur, c'est beaucoup trop évolué comme composant ,

Patience, c'est à partir de la version 5.

et aussi le driver de MOS, et remplacer le tout par un hextuple trigger de schmitt 74AC dont le courant de sortie est assez balaise, mais éviter de trop tirer dessus quand même, donc mettre un MOS avec pas trop de Qg

Et ça la 9.

[Tropique]

R2 est une résistance de faible valeur, égale à la résistance dynamique de Q3 dans la gamme de courants considérés, et qui permet de compenser les variations de Vbe en fonction de la tension d'alim. Elle n'est pas indispensable.

[Antoane]

R2 est une résistance de faible valeur, égale à la résistance dynamique de Q3 dans la gamme de courants considérés, et qui permet de compenser les variations de Vbe en fonction de la tension d'alim. Elle n'est pas indispensable.

Ok, merci.


"La Loi de Murphy s’applique à elle-même ; elle ne se vérifie que lorsqu’on ne s’y attend pas et inversement. "