Alimentation pour Node RMNC
appelée aussi convertisseur 12 Volts / 5 Volts
Sommaire.
But de la réalisation.
Utilisation.
Caractéristiques techniques.
Schémas électroniques.
    La régulation.
    La protection contre les surtensions.
    Nomenclature.
Réalisation.
    Le circuit imprimé.
    Le montage mécanique.
    Mise en service.
    Documentations.
Ajustement de la tension de sortie.
Remarques importantes.
Photos de la réalisation.
But de la réalisation.     
Développer un convertisseur de tension répondant aux caractéristiques suivantes :
  • Tension d'entrée de 10 Volts à 15 Volts continu.
  • Tension de sortie régulée à 5,1 Volts.
  • Courant de sortie jusqu'à 2 Ampères.
  • Robustesse (Courant, tension, température).
  • Protection de la sortie contre les surtensions.
    		•
    Utilisation.     
    Le problème de tous Nodes de type RMNC est qu'il est nécessaire d'avoir plusieurs alimentations basses tension de valeurs différentes pour faire fonctionner l'ensemble. Il faut en général une tension de 12 Volts environ pour les émetteurs et une tension de 5 Volts environ pour le système RMNC.


    Installation classique d'un Node RMNC à deux alimentations.

    Lorsque l'on veut mettre en place une protection contre les coupures de courant par une méthode simple des batteries tampon, il faut une batterie par alimentation, c’est à dire une batterie pour le 12 Volts et une pour le 5 Volts. Le 12 Volts ne pose pas de problèmes, ce qui n’est pas le cas du 5 Volts. En effet, une batterie de 5 Volts est difficile à trouver et une batterie de 6 Volts ne conviendra pas (sous tension donc détérioration rapide).


    Tentative de sauvegarge à l'aide d'une batterie par tension.

    Le convertisseur de tension 12V / 5V proposée ici permet d’utiliser la tension de 12 Volts - fournie par l’alimentation 12 Volts et protégée des coupures secteur par la présence d’une batterie tampon - pour générer une tension de 5 Volts nécessaire à l’équipement RMNC.


    Sauvegarde du Node RMNC avec le convertisseur 12V / 5V.
    Caractéristiques techniques.     
    Le convertisseur doit avoir les caractéristiques suivantes :
  • Tension d'entrée : 10 à 15 Volts
  • Tension de sortie : 5,1 Volts
  • Courant maximum : 2 Ampères
  • Mise en service de la protection de surtension au dela de 6 Volts
    		•
    Schémas électroniques.     
    Le schéma du convertisseur est donné ci dessous. Les transistors de puissance ne sont pas montés sur la platine principale mais câblés à part.


    Schéma électronique du convertisseur.


    Détail du câblage des transistors de puissance.

    Le convertisseur 12V / 5V est composé de deux grands ensembles : la partie régulation et la partie protection contre les surtensions.
    La régulation.     
    La régulation s’articule autour d’un circuit intégré bien connu, le 723 (LM723, µA723, KA723). Très peux de composants sont nécessaires pour sa mise en œuvre. Les composants utilisée sont le 723 (U1), le réglage de la tension de sortie (résistances R1 et R2 et condensateur C2), la partie de puissance (transistors T1, T2 et la résistance R3), la protection contre les courts-circuits (la résistance R4) et un petit filtrage (condensateurs C1 et C4). La résistance R6 et la LED D2 servent à indiquer la présence de la tension de 5 Volts en sortie.

    R1 et R2 permettent de déterminer la tension de sortie par la formule suivante :
        
    Avec U la tension en sortie de régulation et Uref = 7,15 Volts (spécifications du 723). Le calcul nous donne U = 5.098 Volts.

    Le courant maximum de sortie avant mise en route de la protection est déterminé par la formule :
        
    Avec I le courant maximum, Ursc = 0.65 Volts (tension de mise en service de la protection, spécifications du 723) et Rrsc = R4. Le calcul nous donne I = 2.407 Ampères.
    La protection contre les surtensions.     
    La protection des surtensions permet de mettre la sortie de la régulation en cour circuit si la tension de celle ci dépasse une tension d’environ 6 Volts. Cette protection est composée d’une détection de niveau de tension (Diode Zener D1, résistance R5, condensateur C3), d’un thyristor de mise en court circuit (Q1) et d’un fusible de protection (F1). La résistance R5 détermine le courant circulant dans la diode Zener D1. Le thyristor se mettant en conduction quand sa commande (G : Gate) se trouve à 0,6 Volts au-dessus de la cathode (K), c’est à dire que la tension soit au moins égale à Uzener + 0,6V soit ici 6.2 Volts.
    Nomenclature.     
    Voici la liste des composants utilisés :

    Ref/Qt Désignation Ref/Qt Désignation
    R1Rés. métal ½W 1% 3,3kΩ U1Régulateur de tension µA723
    R2Rés. métal ½W 1% 8,2kΩ Q1Thyristor TYN688 ou BT152-600R
    R3Rés. métal ½W 220Ω T1Transistor de puissance 2N3055
    R4Rés. bobinée 7W 0,27Ω T2Transistor de puissance 2N3055
    R5Rés. métal ½W 68Ω D1Diode Zener ½W 5,6V
    R6Rés. métal ½W 1kΩ D2LED verte Ø 3mm
    C1Cond. chimique radial 220µF 50VF1Fusible 5x20mm rapide 3,15A
    C2Cond. céramique 1nF J1Bornier 2 contacts pas 5,08mm
    C3Cond. céramique 100nF J2Bornier 2 contacts pas 5,08mm
    C4Cond. chimique radial 100µF 25V
    1 ×Passe fils Ø interne 8mm 2 ×Micas pout TO3
    4 ×Canons isolants 2 ×Cosses rondes Ø interieur 3mm
    2 ×Vis M3 15mm 2 ×Vis M3 30mm
    4 ×Ecrous M3 4 ×Rondelle éventail M3
    2 ×Entretoises hexagonales M3 15mm
    1 ×Boîtier TEKO aluminium 102mm × 44mm × 72mm
    1 ×Radiateur pour 2 TO3, 35mm × 88mm × 75mm, Rth = 1,65 °C/W
    ABL Heat Sinks 520AB0750MB (ref : Farnell 253-716)

    Réalisation.     
    Le circuit imprimé.     
    Le circuit imprimé du convertisseur est un modèle simple face d’épaisseur 15/10e de mm. Le typon est disponibles en 600dpi (TIFF, 39ko). On fera particulièrement attention à la finesse des pistes et aux zones d’isolation. Après gravure, on percera le circuit avec un foret de diamètre 0,8mm, sauf pour les trous de vis en diamètre 3mm, les borniers en 1mm, la résistance R4, le fusible F1 et les points de branchement des transistors de puissance en 1,2mm. Eventuellement pour Q1, il faudra aussi passer en 1mm de diamètre.


    Implantation des composants.

    L’implantation des composants sur la platine sera réalisée de façon classique du composant le plus bas au plus élevé. On commence par mettre en place D1, les résistances sauf R4, le support de U1, les condensateurs, le thyristor Q1, le support de fusible F1 et les borniers J1 et J2, la résistance R4 et enfin la LED D2. On ne mettra pas encore U1 en place sur son support.
    Le montage mécanique.     
    L’usinage du boîtier nécessitera de bien respecter les côtes. Le schéma mécanique fournis est une vue de dessus du fond du boîtier (la partie ayant le plus de pliages), le fond étant posé sur la table de travail. Pour effectuer facilement l’usinage du boîtier on peut tracer à l’envers les points importants de perçage et de découpe sur le fond du boîtier (le fond étant vers soi et non plus posé sur la table de travail).

    Côtes de percage et découpe mécanique.

    L’assemblage des transistors de puissance, du radiateur et du boîtier doit respecter les règles suivantes :
  • Les transistors doivent être isolés électriquement des vis extrêmes de montage des transistors. Ces vis servent aussi à tenir le circuit imprimé et sont en contact avec le radiateur et le boîtier (repère ).
  • Les transistors sont en contact avec les vis centrales de montage. Ces vis sont isolées du radiateur et du boîtier. Des cosses permettent de relier électriquement les deux collecteurs des transistors de puissance (repère ).
    • Les schémas ci-dessous donnent le détail du montage. Le film mica (en violet) permet d’isoler les transistors du radiateur. Les canons isolants (en bleu foncé) permettent au repère d’isoler le transistor du reste de la mécanique et au repère de pouvoir se brancher sur le collecteur des transistors.


    Câblage des transistors.


    Montage mécanique et électrique des transistors.

    Une fois le montage mécanique on peut relier électriquement les transistors à la platine du convertisseur. L’emploi de gaine thermorétractable permet d’isoler les broches des transistors pour éviter les courts-circuits.

    La photo suivante montre le détail du câblage et du montage mécanique.


    Montage mécanique et électrique des transistors.

    Un trou (diamètre 3mm) est à prévoir sur le dessus du capot du boîtier pour pouvoir faire sortir la LED de présence de tension, un autre sur le côté de ce même capot (diamètre 8mm) pour mettre le passe fils.
    Mise en service.     
    Avant de mettre en place U1 sur son support, on branche une alimentation comprise entre 10 et 15 Volts continus sur l’entrée du convertisseur (attention à la polarité) et on vérifie que cette tension est présente entre les broches 7 (masse) et 11 ou 12 du support de U1. Cette petite vérification effectuée, on débranche l’alimentation et on met en place le régulateur µA723 sur son support. En appliquant de nouveau une tension de 10 à 15 Volts continus sur l’entrée, on vérifie que la sortie du convertisseur est à environ 5,1 Volts.

    Les tests en laboratoire ont vérifiés que la protection contre les surtensions se met en service à 6,2 Volts environ. Le courant de sortie mesuré était de 2 Ampères pour une tension de sortie de 5,05 Volts. Dans ces conditions, la température de la résistance R4 était de 74°C, celle du transistor le plus chaud (T2) et du radiateur de 56°C.
    Documentations.     
    Le régulateur de tension µA723 - Texas Instruments (PDF, 176 ko) et µA723 - Philips (PDF, 68 ko).
    Le thyristor TYN688 - ST (PDF, 60 ko) ou BT152 - Philips (PDF, 42 ko).
    Le transistor de puissance 2N3055 - ST (PDF, 60 ko).

    Ajustement de la tension de sortie.     
    Il est possible très simplement d’ajuster la tension de sortie de l’alimentation au cas ou celle ci ne conviendrait pas. Le fait d’ajouter une résistance en parallèle sur R1 ou R2 permet respectivement d’augmenter ou de diminuer la tension de sortie, une résistance en série à l'effet inverse. Le formulaire suivant permet de calculer la résistance à ajouter en parallèle ou en série sur R1 ou R2 pour obtenir la tension désirée. De plus, si la différence de tension est assez faible (moins de 0.2 Volts), la précision de la résistance additionnelle a très peu d’importance. Attention les calculs ne prennent pas en compte la précision de l'appareil de mesure.

    Saisissez vos paramètres
    Tension mesurée : V
    Tension théorique désirée : V
    Précision de la résistance à ajouter : 5% (E12) 1% (E24)
    Montage de la résistance d'ajustage : Parallèle Série
        
    Résultats des calculs
    La résistance la plus proche est Ω
    La précision obtenue est d'environ % soit ± V

    Remarques importantes.     
    J’ai remarqué que les calculs et l’expérimentation ne me donnaient pas les mêmes résultats. En effet, les calculs précédents nous donnent un courant de 2,4 Ampères si on utilise une résistance Rrsc de 0,27 Ω alors que la pratique démontre que la protection se met en service à environ 2 Ampères. Le tableau donne pour différents courants de sortie les résistances théoriques et réelles à utiliser ainsi que le fusible à employer.

    Courant de sortie Résistance théorique Résistance à utiliser Fusible à utiliser
    500 mA 1,3 Ω 1 Ω 1 A
    1 A 0,65 Ω 0,56 Ω 1,6 A
    1,5 A 0,43 Ω 0,33 Ω 2 A
    2 A 0,33 Ω 0,27 Ω 3,15 A
    2,5 A 0,26 Ω 0,22 Ω 4 A
    3 A 0,22 Ω 0,18 Ω 5 A

    Photos de la réalisation.     

    L'avant du convertisseur.
    L'arrière du convertisseur.

    Détail de l'électronique de face.
    Détail de l'électronique de profil.

    Ajustement de la tension de sortie.
    La protection.

    Vue d'ensemble du convertisseur et du rack RMNC.