Etude d'une alim de labo à découpage

[invite0f178c4b]

Bonjour,

Je suis en train de m'amuser un peu avec un arduino uno et je cherche à mettre en application l'utilisation des sorties PWM dans un montage que j'aimerais faire depuis un petit moment maintenant. Le principe est de partir d'une tension continue (pour le moment, j'ai une alim 15V 1A, mais à terme le projet serait de faire une dangereuse alim basée sur du 230V redressé du secteur ...), de la faire passer par un transfo flyback piloté par une sortie PWM et un IGBT de l'arduino, (on mesure la tension de sortie avec un ampli d'isolement qu'on renvoie sur une entrée ana) pour la ramener à la tension de consigne + une tension fixe représentant la chute de tension admissible dans l'étage de régulation. Ensuite, un étage de régulation "classique" à base de transistor bipolaire commandé par des AOP finira la régulation.

Plusieurs questions :

1. Mon but est de limiter la puissance dissipée dans le transistor bipolaire (notamment en basse tension / haute intensité) tout en me gardant une bonne plage de tension de sortie possible (genre 0-30V), si je me fixe une chute de tension de 3V, à 5A (dans la version finale), je ne devrais avoir que 15W de dissipés dans mon transistor bipolaire quelle que soit la tension de sortie contre près de 150W dans une alim classique alimentée en courant continu à environ 30V dans le cas d'un réglage bas de la tension de sortie (pour avoir une plage 0-30V). Existe-t-il d'autres montages permettant cette efficacité énergétique (et cette économie en dimensionnement des composants) tout en restant isolé galvaniquement de la tension d'entrée (montage destiné ultérieurement à une alim par 230V redressé...) ?
2. J'ai trouvé pas mal d'inductances couplées (c'est comme ça qu'ils les appellent chez Mouser), mais je ne sais pas comment les choisir, elles sont toutes en CMS (j'aimerais tester le truc sur un platine d'essais, pas en 230V, mais avec une alim DC de 15V pour tester le principe...) et je cherche des équivalents en traversant en vain, j'ai aussi vu des tores de ferrite. Ce genre de transformateur flyback existe-t-il en "modèle de série" dans le commerce ou doit-on le faire (faire?) sur mesure ?
3. A quelle fréquence puis-je (dois-je) faire fonctionner ma commande du flyback en sachant que je cherche à ce que ce soit inaudible (> 20kHz il me semble) et dans la limite de la fréquence max du PWM de l'arduino (62.5kHz il me semble) ? / Comment choisir les composants fonctionnant à cette fréquence
4. Il me semble que ma partie contrôle va faire varier le rapport cyclique de ma commande entre 0% et 50%, si dans mon projet d'alim initiale (alimenté par mon alim 0-15V DC 1A), je veux avoir une tension de sortie du flyback comprise entre 0 et 10V par exemple pour un courant max de 1A, dois-je dimensionner mes composants (IGBT + Transfo) pour qu'ils supportent 1A ou, 1A/rapport cyclique (10A avec un rapport cyclique de 10%) ?
5. Que pensez-vous du principe d'une commande par microcontrôleur plutôt qu'un circuit de commande analogique quand à la bande passante (limitée par le temps d’exécution de ma boucle) ? Je suppose que je vais être limité dans la gestion des transitions de charges à un temps de réponse fonction de la fréquence de mon PWM (dans le cas ou ma boucle de programme s’effectuerait en moins de temps ce qui fait partie des postulats de départ à valider ...), est-ce des ordres de grandeur raisonnablement supportables pour une alim de labo classique ?
6. Je compte générer avec d'autres PWM des valeurs analogiques représentant les consignes de courant et de tension de sortie de mon alim qui seront ensuite traitées par un circuit analogique de commande du transistor bipolaire de régulation. Je me dis que ça devrait permettre de limiter le bruit généré par une commande directe en PWM sans préjudice du temps de réponse qui dépendra des AOP utilisés pour le circuit de commande. Mais quid d'une commande par PWM aussi, est-ce un schéma qui a déjà été testé par l'un d'entre vous avec succès ?

Ça fait déjà beaucoup de questions .... J'ai un peu trouvé de tout sur le forum et ailleurs sur le net, mais entre les illuminés qui veulent faire des concours d'attributs masculins en faisant des alims dont les tensions de sortie se comptent en kV et les schémas d'avant guerre, je ne sais pas à quel sein (saint?) me vouer... Pour ceux qui se font du souci, je ne cherche pas à faire de la HT, mais une alim flotante 0-30V 5A. Je sais que si je passe par un transfo flyback alimenté en 230V redressé, je vais devoir être prudent, notamment vis-à-vis de la cappa en sortie du pont de diodes qui sera chargée à 325V pour 1000µF (c'est un premier dimensionnement que j'ai fait il y a quelques temps) soient 53 Joules, je comprends les réactions possibles de certains qui diront que c'est insensé et que jamais ils ne révèleront leurs secrets par précaution..., mais si cela peut vous rassurer, je ne sais pas si ce projet verra le jour dans sa version "alimentée par du 230V redressé" et dans tous les cas, si c'est une partie délicate, c'est celle que je pense être la plus simple à mettre en oeuvre... Par contre, le choix d'une inductance couplée ayant une rigidité diélectrique suffisante pour être alimentée par une si haute tension et le choix de l'IGBT est plus complexe pour moi. Mais dans un premier temps, je compte sur les bonnes volontés pour me mettre sur les bonnes pistes avec une alim 15V 1A comme source de tension "primaire".

Merci de votre attention !
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[Qristoff]

Ce que j'en pense ?
- utiliser un µc pour gérer le flyback, d'autres l'ont fait. Un circuit dédié et éprouvé fait la même chose sans le risque d'un développement logiciel hasardeux et risqué.
- un µc n'est pas forcément bien adapté (à moins que le logiciel soit vraiment optimisé pour ça !) aux réactions ultra rapide de circuit analogiques pour les aspects sécurités du montage.
- Étant au primaire de l'alimentation, ton µc ne servira qu'à ça.
- à part la régulation de tension et détection de surcharge, que veux tu lui faire à ton µc ?

[invitee05a3fcc]

que veux tu lui faire à ton µc ?

Bof ... il pourra toujours servir de voltmètre et d’ampèremètre !

[invite0f178c4b]

Ce que j'en pense ?
-1- utiliser un µc pour gérer le flyback, d'autres l'ont fait. Un circuit dédié et éprouvé fait la même chose sans le risque d'un développement logiciel hasardeux et risqué.
-2- un µc n'est pas forcément bien adapté (à moins que le logiciel soit vraiment optimisé pour ça !) aux réactions ultra rapide de circuit analogiques pour les aspects sécurités du montage.
-3- Étant au primaire de l'alimentation, ton µc ne servira qu'à ça.
-4- à part la régulation de tension et détection de surcharge, que veux tu lui faire à ton µc ?

Bonjour Qristoff et merci pour ces premiers éléments de réponse qui, outre l'interrêt qu'ils présentent à être constructifs, ont en plus le mérite d'être forunis avec une célérité redoutable

1. Je suis d'accord avec ton objection, je suis dans une phase de travail sur PIC et Arduino (en ce moment, beaucoup Arduino...) et je suis très fier de faire varier la luminosité d'une led avec les sorties PWM de ce dernier, mais je cherche à réaliser un montage sur lequel j'ai aussi envie d'apprendre, à savoir l'alimentation à découpage.
2. Pour ce qui est de l'optimisation logicielle, je suis (sans vouloir "pavaner" assez calé sur le sujet de la régulation numérique (assez au sens ou, si j'arrive à modéliser le comportement d'un process et que ce dernier est linéaire ou a une non linéarité modélisable, je sais sans problème réaliser le correcteur numérique qui aura les performances de mon choix limitées en temps de réponse par la puissance de mes actionneurs et la fréquence d'échantillonnage. La question est "Quel temps de réponse te semble acceptable ?" (pour la partie du premier étage dont le rôle est de générer une tension un peu supérieure à la tension de consigne).
3. J'avais en tête de réaliser une isolation galvanique de ma commande par le biais d'un optocoupleur. Même si j'envisage d'utiliser au final 1 µc dédié à la commande (par exemple, avec un PIC16F1459 disponible à moins de 2€/pièce pour une version finale et qui me permet d'utiliser une sortie PWM à plus de 40kHz grâce à son oscillateur interne 48MHz), je ne vois pas ou est le problème, ma sortie sera filtrée par ma résistance de shunt (mesure du courant de sortie : 0.1 Ohm) et la capacité de sortie associée donnant une fréquence de coupure de 4kHz sera de simplement 16nF. Avec ça, j'atténue les variations plus rapide que ma commande PWM de 20dB en ne stockant au maximum que 10µJ sous 30V, ça me paraît faisable, les 10µJ sont-ils négligeables vis à vis d'une protection d'un circuit aval de l'alimentation (que ce soit un AOP ou un µcontrôlleur par exemple ?)
4. Apprendre à le programmer en me cassant la tête sur le genre d'optimisation que je viens de te décrire par exemple... Dans mes rêves les plus fous, cette alim aurait un µc maître qui asservirait la tension de sortie à des tensions d'entrée sur lesquelles se feraient des opérations mathématiques simples (Us = k1 * U1 + k2 * U2, etc...) avec un bel afficheur LCD rétroéclairé en bleu affichant tension et courant de consigne et actuels qui puisse impressionner une jolie jeune fille néophyte qu'une alim de puissance ultrastabilisée par un circuit de commande spécifique ayant de bien meilleurs temps de réponse laisserai de marbre...

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite0f178c4b]

Bof ... il pourra toujours servir de voltmètre et d’ampèremètre !

Faute d'être constructif, merci pour le

[invitee05a3fcc]

Faute d'être constructif,

Au contraire ! ma réponse est très constructive. En effet, je ne crois pas aux régulateurs à découpage pilotés par un µC
- Comment gères tu un court circuit ?
- Comment gères tu le passage de 100% à 0% (et 0% à 100%) de la charge

Il n'y a que l'analogique qui puisse faire ça en sécurité. Faire un mixte oui ! avec pré-régulation à découpage et régulation analogique. On améliore grandement le rendement.
Le µC peut faire aussi les consignes (I et V) pour la partie analogique. Dans ce cas, plus besoin de voltmètre .
Regarde l'alimentation de HULK dans la section "projet"

[invite0f178c4b]

Salut Daudet,

Merci pour cette réponse, je te prie de bien vouloir pardonner ma réaction impulsive à ta première réponse. On va dire que je suis entré en résonance assez facilement suite à une minuscule excitation ...

- Comment gères tu un court circuit ?
- Comment gères tu le passage de 100% à 0% (et 0% à 100%) de la charge

Dans la cadre d'une commande purement numérique (sur le premier comme le second étage), je conviens volontiers être exposé à des risques de transitoires gênants que ce soit vis à vis du court circuit, des variations de charge et de la mise sous tension. En fait, j'avais déjà réfléchi à cette idée et le point 6 du premier message de cette discussion me semblait "clore" ce qui s'annonçait déjà comme un débat sans fin (polluant le reste de mes interrogations), du moins du point de vue du second étage que je qualifierai d'étage de stabilisation :

Je compte générer avec d'autres PWM des valeurs analogiques représentant les consignes de courant et de tension de sortie de mon alim qui seront ensuite traitées par un circuit analogique de commande du transistor bipolaire de régulation. Je me dis que ça devrait permettre de limiter le bruit généré par une commande directe en PWM sans préjudice du temps de réponse qui dépendra des AOP utilisés pour le circuit de commande. Mais quid d'une commande par PWM aussi, est-ce un schéma qui a déjà été testé par l'un d'entre vous avec succès ?

Cette question est surtout posée dans le sens "Jusqu'où puis-je traiter ma commande de manière numérique ?" . Je n'ai aucune idée des besoins en terme de rapidité de ma boucle ni des énergies dissipables par un composant fragile (CMOS par exemple) sans lui infliger de dégats. Pardonne mon scepticisme, mais je ne peux me résoudre à accepter des "je n'y crois pas". j'avoue n'avoir aucun ordre de grandeur en tête, mais si tu me dis que tel circuit ne supporte pas plus de x Volts pendant y picoseconde ou que tel autre est détruit par une décharge de plus de z µJ, on aura des éléments de discussion intéressants au sujet du débat sur la non pertinence d'une boucle numérique dans l'étage stabilisation de la tension. Par curiosité, as-tu une idée de la bande passante des amplis utilisés dans ce genre de projet ? je vois couramment des condensateurs parallèle à la sortie des alims stabilisées qui sont de l'ordre de 1µF, moi, je calcule qu'avec une boucle de contrôle ayant une fréquence de scrutation de 40 kHz, je n'ai besoin que de 16 nf en parallèle à ma sortie dont une résistance de 0.1Ohm est en série avec un des fils d'alim pour mesurer le courant pour filtrer le bruit résiduel et l'atténuer de 20dB. à 1.6µF c'est 40dB d'atténuation du bruit de 40kHz et + qui est obtenu. Je suppose que la protection des courts circuits est de moins en moins efficace que cette valeur de capacité est élevée. si 1µF est la norme, je suis proche des 40dB d'atténuation. Par contre, je n'ai aucune idée de l'amplitude de départ de ce bruit lié à ma commande dans le cas ou elle serait purement numérique.

Sinon, pour les passages de 100 à 0%, je pense qu'il n'y aura pas (plus) de problème (s que sur une alimentation "classique") si l'étage stabilisation est un classique étage analogique à l'ancienne, le transistor bipolaire pourra dissiper transitoirement des puissances même de 10x sa capacité nominale pour autant qu'on ne sorte pas de sa plage de tension VCEmax. Par contre, je suis conscient que mon premier étage (le transformateur flyback) commandé en numérique va avoir un temps de réponse d'au moins 25µs. Outre les changements de consigne positifs qui seront soumis à cet impératif, une augmentation brutale de la charge se traduira aussi (même s'il est tout à fait possible d'atténuer cela en plaçant un assez gros condensateur en sortie du premier étage, l'étage de transformation flyback)par une chute de tension en sortie du premier étage pouvant rendre la conformité de la tension de sortie à la consigne temporairement impossible et se traduisant par une chute de tension transitoire. Cependant, une simple capa de 250µF réduirait la chutte de tension à 0.5V sur 25µs pour une variation d'intensité brutale de 0 à 5A.

Sinon, je suis un peu paumé dans les différents projets, si c'est de ce projet d'alim dont tu parles, je l'ai déjà vu, c'est notamment ce qui m'a fait tiquer quand aux temps de réponse de la boucle d'asservissement, mais aussi du condensateur de sortie... C'est de ce fil que je tiens l'idée de générer par PWM une tension de consigne pour la tension d'alim et pour le courant max ainsi que l'idée de préalim à découpage et de tension de dropout à 3V... Je ne l'ai pas encore tout lu (il est aussi intéressant que long...), mais mon étage "stabilisation" sera directement inspiré de ce montage.

Si quelqu'un a des billes dessus, j'aimerais recentrer le sujet sur le partie transformateur flyback. Je galère un peu à savoir quelle valeur d'inductance couplée choisir, comment dimensionner l'intensité max (par rapport à la valeur instantannée max ou moyenne ?), comment est définie la tension de claquage, et ou trouver ce genre de rareté en "through hole". Je ne sais pas non plus à quelle fréquence faire fonctionner le flyback et ai un sérieux doute sur l’existence d'IGBT capables de commuter à une fréquence de 40kHz dans le cas d'un rapport cyclique de 1% par exemple ...

[invite0f178c4b]

A ce que je comprends, les transformateurs sont tous à bobiner soi même ? J'aimerais bien me lancer dans le truc, mais je ne sais pas trop quel type choisir (Toroidal = moins de perturbations HF qu'un EI ?). Quelqu'un a déja eu le privilège de réaliser ce type de composant auparavant ? Avez-vous des sources pour de la doc (je n'ai rien trouvé sur les sites des fabricants de tores par exemple ...) ?

[bobflux]

Une autre piste :

Ce serait plus simple de partir d'une alim à découpage "brique" (mettons de 24V ou 36V) du commerce (ou même une simple alim transfo pont de diode capas), et d'ajouter un convertisseur DC-DC derrière (genre LTC3851) dont tu peux ajuster la tension de sortie en injectant du continu dans la contre-réaction, avec un ampli-op commandé par le uC.

D'ailleurs, si tu trouves une alim à découpage du commerce qui sort la tension et le courant que tu veux, tu peux faire varier la tension de sortie de la même façon en manipulant la contre-réaction...

> le transistor bipolaire pourra dissiper transitoirement des puissances même de 10x
> sa capacité nominale pour autant qu'on ne sorte pas de sa plage de tension VCEmax

Un MOS oui, un bipolaire non (second breakdown).
Mais si tu fais une alim de labo, tu vas mettre une limitation de courant, donc le transistor sera protégé.

> Sinon, je suis un peu paumé dans les différents projets, si c'est de ce projet d'alim dont tu parles,
> je l'ai déjà vu, c'est notamment ce qui m'a fait tiquer quand aux temps de réponse de la
> boucle d'asservissement, mais aussi du condensateur de sortie...

Sur une bonne alim de labo, tu la règles sur 30V et 20mA, tu branches une LED en sortie, elle s'allume... si la limitation de courant est trop lente, la LED crame. Si la boucle est trop lente, alors il y aura un gros condensateur en sortie pour faire semblant, et la LED crame.

> Cette question est surtout posée dans le sens "Jusqu'où puis-je traiter ma commande de manière numérique ?"

Il est tout à fait possible d'implémenter toute la contre-réaction d'un convertisseur à découpage en numérique : ADC, DSP, PWM sur les transistors de puissance. C'est d'ailleurs un argument de vente des dsPIC les plus rapides... un projet largement plus compliqué que de piloter un contrôleur analogique standard...

[invite0f178c4b]

Merci pour ces infos. Quelqu'un sait-il ou je peux me procurer les circuits magnétiques et ou trouver de l'info sur leur dimensionnement ?

[invite0f178c4b]

Re,

Je continue mon monologue en espérant que quelqu'un qui ait des connaissances en circuits magnétiques HF passe par là. J'ai trouvé des corps de transformateurs HF à bobiner soi même (pots ferrite et ETD notamment), pour fonctionner aux fréquences que j'envisage (50kHz) et afin de laisser passer l'intensité requise, je vais devoir limiter la section de mes conducteurs afin de ne pas subir l'effet de peau. Je pense utiliser des bobinages multibrins isolés (j'ai trouvé des bobines de fil de cuivre "émaillé" pour environ 40€/kg en diamètre 0,4mm chez farnell), mais je ne trouve rien en multibrin... Je peux bien sûr le réaliser moi même, mais bon ... L'autre option est l'utilisation d'un feuillard de cuivre, mais là, à part se le réaliser soi même, je n'ai rien trouvé dans le commerce de "déjà isolé"... Et comme c'est à terme pour brancher sur le secteur, ça me rend un peu chatouilleux... Enfin, l'une comme l'autre, ces solutions me gênent au niveau du point de soudure sur la carte. En général, ça ne pose pas de problème car il y a de la section, mais dans mon cas, si section il y a, il y a peu de périphérie, certes, ça chauffera loin de la ferritte, mais je vais avoir un point chaud et je voudrais savoir si quelqu'un a un feedback à donner à ce sujet.

Côté commande, je suis parti sur l'idée d'un transformateur alimenté par un pont en H (de manière à avoir une alimentation symétrique sur le primaire et donc une composante continue nulle). Pour la partie commande, je ne sais pas si j'ai mal cherché, mais je ne vois pas bien de différence entre les temsp de montée de transistors MOSFET, IGBT et bipolaires ... Le MOSFET devrait être le plus rapide pour moi, mais je pensais que les temps de montée-descente et énergies de commutations seraient plus éloignés d'une technologie à l'autre... Pour couper du 400V sous 2A à 50kHz, vous prendriez quoi ? Cela existe-t-il en version opto-xxx (OPTO-MOS, OPTO-IGBT, OPTO-Bipolaire) ?

Je reste sidéré de ne pas trouver de transformateur de puissance HF dans la plage 20-100kHz et de devoir le bobiner moi même, toujours aucune nouvelle d'un distributeur qui serait capable de réaliser cela ?

Merci.

[Tropique]

Je reste sidéré de ne pas trouver de transformateur de puissance HF dans la plage 20-100kHz et de devoir le bobiner moi même, toujours aucune nouvelle d'un distributeur qui serait capable de réaliser cela ?

Wurth Elektronik a des transfos configurables avec par exemple 8 enroulements identiques qui peuvent être combinés en // ou série pour customiser la configuration primaire et secondaire. D'autres fabricants doivent aussi proposer ce genre de produit.
Pour 150W, un pont en H est de l'overkill massif. Les topologies adaptées seraient le flyback ou un PP demi-pont (qui n'a pas de problème de composante DC, contrairement au H).

Les composants actifs actuels tendent à converger point de vue performance, tous seraient utilisables mais je pense que des MOS sont l'option la plus directe.

Ne te fais pas trop d'illusions, il y a beaucoup de pièges qui attendent le débutant: le flyback est simple, mais a des exigences beaucoup plus sévères sur le transfo. En demi pont, c'est moins critique, mais pour faire une alim de 0 à x volts, il va y avoir un souci: les drivers high-side ont besoin d'un rapport cyclique minimum, et ne seront pas utilisables directement. Ce qui laisse l'attaque par transfos, mais cela fait encore des composants magnétiques en plus....

Un autre problème absolument fondamental est l'aspect EMC: il faut impérativement un écran primaire, un écran secondaire, et un placement judicieux des enroulements, y compris les point de départ et d'arrivée. Si tu bobines tout n'importe comment, tu vas aboutir à un cauchemar de cochonneries rayonnées et conduites dans tous les sens.

Une alim de labo a une difficulté supplémentaire: il faut assurer la stabilité des boucles de régulation courant et tension pour tous les cas, de 0 au maximum; un joli casse-tête d'automaticien en perspective.

En résumé je te conseille d'y aller progressivement, pour acquérir l'expérience indispensable dans tous les domaines et puis une fois que tu maitrises bien tous les aspects tu peux te lancer sur du plus sérieux.

Tu peux poster tes progrès ici, je (nous?) pourrai te guider au fur et à mesure, valider chaque étape. Et commence à chaque fois par simuler chaque bloc, ça t'évitera pas mal de silicium fondu...

[bobflux]

> Je reste sidéré de ne pas trouver de transformateur de puissance HF dans la plage 20-100kHz et de devoir le bobiner moi même,

C'est assez simple : quand un fabricant a besoin d'une alimentation pour son produit, il a plusieurs solutions :

- Acheter une brique noire disponible, pas chère, et surtout déjà certifiée avec tous les petits logos (FCC, CE, etc) dessus. Le produit n'a alors plus besoin de passer de certifications vis à vis de la sécurité électrique, puisque la seule partie haute tension est l'alim, qui est déjà certifiée...

- Acheter une alim à découpage interne (une ribambelle dispo sur farnell) qui se présente généralement sous la forme d'une carte avec un boîtier en tôle perforée autour. Ça a des avantages (notamment, normalement, ça marche). Si l'embase d'alim CE est sur la carte de l'alim, il est fort possible que le produit n'aie pas à repasser trop de certifications électriques, donc c'est plus simple et moins cher... et ça explique aussi pourquoi le bouton "marche/arrêt" hardware a disparu...

- Ou concevoir et fabriquer l'alim, si il va y en avoir besoin d'une quantité énorme et que c'est rentable...

Dans les 3 cas les transfos sont custom, fabriqués en volume, et introuvables...

Hacker une alim pour lui faire varier sa tension de sortie est bien plus simple... pour ce qui est de la conception d'un transfo flyback, je botte en touche

> Pour couper du 400V sous 2A à 50kHz, vous prendriez quoi ?

Si t'as vraiment besoin de 800W de puissance, il faudra commencer par faire un correcteur de facteur de puissance...

Ta vie serait tout de même beaucoup plus simple avec ça :

http://fr.farnell.com/tracopower/txh...48v/dp/1772185

Suivi de ça :

http://www.linear.com/product/LTC3812-5

(ou suivi de rien du tout, si tu modifies l'alim pour ajuster la tension de sortie)...