ALIMENTATION STABILISEE 485 V - 350 MA
ALIMENTATION NON-STABILISEE 485 V - 300 MA
Pour Amplificateur à Tubes 6L6GC de 2 x 24 Weff
Projet publié dans la revue Electronique Pratique n°301 de janvier 2006 et 302 de février 2006 sous le titre: "Ampli Haute Fidélité - Push-Pull Classe A de 6L6GC - Son Alimentation HT - 2ème et 3ème partie"
Cette alimentation est le deuxième volet de notre étude d’un ampli PPUL de 2 x 24W en classe A. Elle sera déclinée en deux versions l’une stabilisée et l’autre non.
Elles sont étudiées pour fournir une tension de 485Vdc sous un courant de 300 mA.
L’unique circuit imprimé de chaque version est universel et peut équiper bien d’autres réalisations. L’occasion nous est donnée ici de nous plonger plus profondément dans le domaine des alimentations haute tension pour amplificateurs à tubes.
ALIMENTATION STABILISEE
LE SCHEMA
Schéma de l’alimentation stabilisée
Circuit de Veille et Temporisation
Le principe est de temporiser la mise sous tension du transformateur de puissance pendant 3 secondes et de laisser la haute tension monter progressivement pour se stabiliser à la valeur souhaitée.
Un petit transformateur de 5 VA (T1) fournit après redressement et stabilisation par un 7824 une tension stabilisée de +24 Vdc.
La fermeture de la ligne ‘’ON’’ entraîne l’activation du relais K1 et le départ de la temporisation. Le relais K1 alimente le primaire du transformateur de puissance (T2) en série avec une résistance (R21) de 220 Ω / 50 W. Trois secondes plus tard le relais statique K2 court-circuite R21 et alimente le transformateur T2 à pleine puissance.
En fonction de veille, la tension au point ‘’R’’ sur la ligne ‘’ON’’ vaut +24 Vdc et la diode D8 maintient ce potentiel à la broche 2 (entrée négative) du 741. Dans ce cas, puisque la broche 3 (entrée positive) se trouve à la demi-tension, la sortie de l’amplificateur opérationnel est nulle et le relais statique K2 n’est pas activé. Le départ de la temporisation est donné par la mise à zéro du point ‘’R ‘’ qui libère le condensateur C15. Ce dernier se charge sous l’effet de R16 et la tension sur l’entrée négative passe le seuil de comparaison de IC2 après 3 secondes. A ce moment, le relais K2 s’active et court-circuite R21.
En veille, avec le relais K1 au repos, la sortie HT est chargée par une résistance de 2200 Ω. En cas de coupure intempestive de courant ou de débranchement accidentel du connecteur de liaison, le circuit de temporisation est remis automatiquement à zéro et l’alimentation déchargée.
Le rétablissement initialise un nouveau cycle de 3 secondes pour la mise en service du transformateur de puissance et la montée progressive (30 sec) de la HT.
Le débranchement du connecteur désactive immédiatement K1, court-circuite le condensateur C15 via D8 et R15 et provoque le basculement en fonction de veille de IC2 en désactivant le relais statique K2. De même une coupure du secteur fait chuter la tension d’alimentation, désactive le relais K1 et court-circuite C15, via D9. La diode D7 écrase la surtension de coupure due à la self du relais. En l’absence de cette protection, cette surtension peut atteindre les 100 volts et même plus et détruire les semi-conducteurs périphériques.
Les trois Led’s affichent l’état de l’alimentation : D6 pour la veille, D10 pour la mise sous tension (Remote) et D4 pour l’activation de la haute tension après 3 secondes.
Le choix des relais s’est porté sur le modèle professionnel 11 broches de Finder à 3 circuits inverseurs et D2410 de Crydom pour le relais statique.
Haute Tension et Quelques Mesures
Le transformateur de puissance a été développé par ACEA et porte la référence 7176. Il affiche une puissance nominale de 330VA et peut fournir un courant redressé de 350 mAdc. Le primaire prévoit le raccordement pour 3 tensions de 220, 230 et 240 Vac.
La stabilisation est assurée par le transistor Q1 (2N5401) monté en source de courant. La tension de 10 Vdc présente aux bornes de R5 est constante et le courant drainé par le transistor vaut 1 mA. Le 2N5401 peut être remplacé par le MPSA92 et dans ce cas la zener de 130V n'est plus nécessaire. Ce même courant de 1 mA développe aux bornes de R6, R7 et R8 une tension stable de +500 Vdc. Le circuit imprimé prévoit l’emplacement en R8 d’un potentiomètre de 100 kΩ / 10 tours. Cette tension à son tour charge le condensateur C5 (0,47µF / 630V) au travers de la résistance R9 de 10 MΩ.
La montée en tension est progressive et met environ 30 secondes pour se stabiliser à +485 Vdc en sortie. La rampe est mesurée à l’aide d’un diviseur par 100 (figure 2)
La tension redressée aux bornes de C1-C2 monte idéalement à +540 Vdc mais peut varier considérablement en fonction des aléas du secteur. Le choix entre les 3 tensions au primaire se révèle ici bien utile. Le circuit de stabilisation est calculé idéalement pour une chute de tension de 60 V aux bornes du ballast Q2. Dans ce cas il dissipe 20 W pour un courant de 300 mA. Nous avons utilisé ici un BUZ305 (figure 3) qui peut dissiper 150 W à condition d’être bien refroidi. Le BUZ305 étant obsolète il est remplacé par le 2SK1120.
Ce circuit fonctionne efficacement dans une fourchette de +520 à +600Vdc en entrée. Au-delà de 600 Vdc, la diode Z3 de protection de Q1 entre en conduction et empêche Q1 de fonctionner en source de courant.
La tension de chauffage des filaments est portée à un potentiel de +50 Vdc afin d’inhiber l’influence thermoïonique du filament de la première triode de l’ampli dont la cathode est à un potentiel de +30 Vdc. Cette précaution améliore le rapport signal / bruit de quelque 10 dB. De plus la constante de temps du circuit R9-C5 supprime toute ondulation en sortie. La mesure en figure 4 nous donne une ondulation résiduelle inférieure à 2 mV RMS. Le rapport signal / bruit de l’amplificateur est de 114 dB linéaire.
Nous avons mesuré la résistance et l’impédance interne en utilisant le montage de la figure 5.
En fermant l’interrupteur ‘’Sw’’ nous ajoutons un courant de 41,7 mAdc qui fait chuter la tension de 187 mVdc. La Ri est donc de 0,187 / 0,0417 soit 4,5 Ω.
Pour mesurer l’impédance interne, nous injectons un signal sinusoïdal sur la grille de la EL84 (montée en triode) qui se comporte en charge variable. Nous maintenons la tension d’excitation arbitrairement à 34 Vac à toutes les fréquences, le courant ‘’pompé’’ vaut 34 / 4800 soit 7,1 mAac.
En mesurant la tension alternative aux bornes de l’alimentation, nous calculons l’impédance interne Zi = U mes / 0,0071. Exemple: à 100 Hz, nous mesurons 25 mVac, Zi = 25 / 0,007 soit 3.6 Ω. La figure 6 présente le graphe de l’impédance interne (Zi) en fonction de la fréquence.
La stabilité de la tension de sortie est mesurée pour une tension secteur comprise entre 218 et 241 Vac (230 V +/- 5%) Pour cette variation au primaire, la tension en sortie varie de +/- 2 Vdc. Soit une stabilité de l’ordre de +/- 0,5%.
MISE EN ŒUVRE
LE CHASSIS
La réalisation est placée dans un boîtier de dimensions 203 x 280 x133 mm disponible chez Radiospares sous la référence 223-988.
Le 223-988 étant obsolète il est remplacé par le 754-5995.
Tous les éléments sont fixés au châssis par 4 profilés aluminium (photo 2). Seules les cotes de placement des profilés sont données en figure 7, les autres cotes de perçage sont pointées ‘’in- situ’’ à l’aide des divers éléments. On vérifiera le positionnement des deux profilés U en plaçant le circuit imprimé contre le panneau arrière. La carte est fixée par 4 entretoises M3 F-F de 10 mm.
La disposition des éléments de la face avant n’est en rien critique (photo 3). Les cotes de perçage du connecteur ‘’Cliff’’ sont reprises ici.
La mise en œuvre de la face arrière par contre demande un soin particulier.
Elle est solidaire du régulateur (IC1) et du SIPMOS (Q2), lequel est fixé sur un radiateur de 120 x 100 x 35 mm. Les opérations sur la face arrière doivent impérativement être faites avec la carte équipée des seuls IC1 (7824) et Q2 (BUZ305 - 2SK1120). Ces deux éléments sont soudés sur la carte de manière à ce que le sabot soit aligné sur le bord de la carte et que le trou de fixation soit à une hauteur précise de 20 mm. La figure 8 indique les diverses cotes. L’axe vertical du radiateur est marqué avec précision sur la face arrière en positionnant la carte sur les deux profilés.
Marquer et percer les 2 trous (4 mm) de fixation du radiateur. Pour cette opération, on percera un premier trou dans les deux éléments et on vissera solidement le radiateur au panneau arrière en le plaçant bien orthogonalement. Ensuite, percer le deuxième trou et fixer la deuxième vis. C’est le moment de marquer avec précision et de percer les trous de fixation de 4 mm pour Q2 et de 3 mm pour IC1. Procéder à la découpe de 40 x 65 mm dans le panneau arrière (photo 5).
Refixer le radiateur et bien marquer l’emplacement de la découpe à l’arrière de celui-ci. On marquera ensuite les deux trous de fixation du thermique. Sa position n’est pas critique, mais on veillera à bien le centrer (photo 6 et figure 9).
Comme illustré en figure 9, photo 5 et photo 6, le MOS est d’abord placé sur une interface thermique faite d’un morceau de 60 mm de profilé plat de 25 x 2 mm d’aluminium bien lisse.
L’isolant de 65 x 30 mm est alors placé entre cette pièce et le radiateur. Il est recommandé de mettre de la pâte thermoconductrice entre le SIPMOS et l’interface. Les trois trous dans l’interface sont forés en utilisant le radiateur comme gabarit, et l’isolant est percé à l’aide d’un poinçon de 3 et 4 mm. Il est capital de réaliser cette opération avec soin en veillant à bien ébavurer les trous de l’interface et du radiateur, en effet, la tension au sabot de Q2 peut atteindre +600Vdc. Les 2 vis de fixation du thermique sont en nylon et l’écrou, une entretoise F-F de 5 mm (photo 6).
L’isolant provient de chez ‘’Laird Technologies’’ et est disponible chez Radiospares en feuilles de 30 x 30 cm sous la référence 403-279. Nous pouvons vous les fournir à bonne dimension (65 x 30 mm). Les caractéristiques principales sont une isolation électrique de 3500 Vac et une résistance thermique de 2,7°C / W par cm².
Ce procédé est indispensable car la résistance thermique d’un isolant normal pour TO218 ( environ 2°C / W) est insuffisante pour évacuer les calories quand le transistor fonctionne aux limites de la dissipation. Les essais ‘’limite’’ ont mené au claquage de Q2 après quelques minutes. Avec l’interface aluminium de 60 x 25 mm de qui fait 15 cm², la résistance thermique est de 0,18°C / W et la température du radiateur en régime maximum ne dépasse pas 50°C. Bien que le sabot du régulateur IC1 soit au potentiel zéro, il doit être également isolé électriquement du panneau arrière et fixé par une vis en nylon et une entretoise F-F de 5 mm. Ceci évite les retours de masse, le raccordement à la masse se fait en un seul point du boîtier (photo 9).
LE CIRCUIT IMPRIME
Typon à l'échelle 1/1
Le circuit imprimé de dimensions 100 x 160 mm porte l’essentiel des composants actifs (photo 7). Celui-ci est libre de fils, toutes les liaisons se font par cosses Faston. On commencera par insérer et souder les cosses Faston et la cosse picot. Ensuite les composants par ordre de taille en terminant par les trois électrolytiques et le transformateur T1.
Test de la carte
La carte peut être testée en dehors du boîtier en alimentant le transformateur T1 aux points ‘’T’’ et ‘’V’’.
La tension en ‘’S’’ doit être de +24 Vdc. Placer une résistance de 1 kΩ entre les points ‘’S’’ et ‘’R’’ et monitorer le point ‘’P’’. Celui ci doit basculer à +24 Vdc trois secondes après avoir court-circuité le point ‘’R’’ à la masse ‘’Q’’. Le relâchement bref du court-circuit initialise un nouveau délai de trois secondes.
Pour la haute tension: raccorder en ‘’A’’ et ‘’B’’ le secondaire du transformateur, court-circuiter ‘’C’’ et ‘’D’’ et visser une pièce d’aluminium quelconque sur Q2 de manière évacuer les quelques calories. Alimenter progressivement le primaire à l’aide d’un Variac. La tension en sortie doit monter lentement jusque 485 Vdc. Avec la tension nominale au primaire, il y a lieu de sélectionner R8 ou d’ajuster le potentiomètre pour obtenir les +485 Vdc.
A ce niveau, le test en charge ne peut être fait en l’absence de refroidisseur.
Attention, la tension sur le MOS vaut environ 600 Vdc. Il faut un environnement dégagé, placer les sondes et mettre sous tension ensuite, en se gardant bien de ne rien toucher ! Après la mesure, il faut attendre que les condensateurs soient déchargés.
LE MONTAGE FINAL
Il reste à fixer les divers éléments dans le boîtier et sur la face avant. Les 3 fusibles, les 3 Led’s avec résistance, le socle secteur et le ‘’Cliff’’. La carte est mise en place comme décrit plus haut, ainsi que le transformateur de puissance et le relais K1 (photo 2 et photo 9). Le relais solide (K2) et les deux résistances R13 et R21 sont vissées directement sur une tôle d’aluminium de 195 x 80 x 2 mm (photo 8 et photo 10). Relier les divers éléments et vérifier minutieusement la pertinence des liaisons.
On est ensuite prêt pour le test final.
Test final
Il faut relier T1 au secteur par les cosses ‘’T’’ et ‘’V’’ et raccorder le socle secteur au Variac. La LED ‘’SB’’ est allumée. La mise à zéro de la ligne ‘’ON’’ provoque le basculement de K2 après 3 secondes et la LED ‘’ON’’ s’allume.
Monter ensuite la tension au Variac tout en mesurant la haute tension en sortie.
Le test en charge peut être fait en plaçant deux ampoules de 60W en série en parallèle avec deux ampoules de 25W en série. Nous avons alors une charge qui consomme 350 mA et dissipe 170 W. Attention, il faut raccorder les ampoules et démarrer l’alimentation ensuite ! Débrancher l’alimentation directe de T1 et raccorder selon le schéma. L’alimentation est bonne pour le service …
Le Câble
Le câble de liaison contient 8 conducteurs (schéma de raccordement) et est terminé par un plug ‘’touchproof’’ à verrouillage (photo 12) . Ce câble est initialement destiné à équiper le raccordement électrique d’une remorque automobile. Il est disponible dans les ‘’Auto-Center’’. Il présente l’avantage d’une grosse section de cuivre associée à un solide isolant. Nous l’avons testé à 2 kV. Notre prototype mesure 6 mètres (photo 11) et peut être raccourci à la longueur désirée.
ALIMENTATION NON-STABILISEE
Conscient de la complexité de l’alimentation stabilisée, et du découragement qu’elle peut engendrer devant la somme de travail, nous tenons à vous présenter une version classique non stabilisée.
LE SCHEMA
Schéma de l’alimentation non-stabilisée
Circuit de Veille et Temporisation
Le principe est de permettre le chauffage des filaments pendant 20 secondes avant d’activer la haute tension.
Un petit transformateur de 5VA (T1) alimente en permanence le circuit de veille.
La fermeture de la ligne ‘’ON’’ entraîne l’activation du relais K1 et départ de la temporisation. Le relais K1 activé met le transformateur de puissance (T2) sous tension et nous fournit la tension de chauffage des filaments.
En fonction de veille, la tension au point ‘’R’’, sur la ligne ‘’ON’’ vaut une trentaine de volts et la diode D4 maintient ce potentiel à la broche 2 (entrée négative) du 741. Dans ce cas, puisque la broche 3 (entrée positive) se trouve à la demi-tension, la sortie de l’amplificateur opérationnel est nulle et le relais K2 n’est pas activé. Le départ de la temporisation est donné par la mise à zéro du point R qui libère le condensateur C9. Ce dernier se charge sous l’effet de R9 et la tension sur l’entrée négative passe le seuil de comparaison de IC1 après +/- 20 secondes. A ce moment, le relais K2 s’active et met la haute tension en service. Les relais consomment chacun 40 mA, c’est la raison de la présence du transistor Q1 (2N3019) pour piloter le relais K2. La tension de veille chute alors à 24 Vdc. Pour éviter le cliquetis du relais du à la non-stabilisation de l’alimentation de veille, nous avons ajouté la résistance R17 qui provoque par rétro-action positive l’accélération du basculement de IC1. C’est la version ‘’Trigger de Schmitt’’ pour amplificateur opérationnel.
En cas de coupure intempestive de courant ou de débranchement accidentel du connecteur de liaison, le circuit de temporisation est remis automatiquement à zéro.
L’alimentation HT est alors coupée pendant un nouveau délai de 20 secondes.
Le débranchement du connecteur désactive immédiatement K1, court-circuite le condensateur C9 via D4 et R8, provoque le basculement en fonction de veille de IC1 et la désactivation de K2. De même une coupure du secteur fait chuter la tension d’alimentation, désactive les deux relais et court-circuite C9, via D5. Les diodes D3, D6 et D7 écrasent la surtension de coupure due à la self du relais. Les trois Led’s affichent l’état de l’alimentation : D1 pour la veille, D2 pour la mise sous tension (Remote) et D7 pour l’activation de la haute tension après 20 secondes.
Le choix des relais s’est porté sur le modèle G8P de Omron qui supporte 30 A et est testé à 1500 Vac.
Haute Tension et Quelques Mesures
La tension secondaire est redressée par le pont de diodes B1 et est appliquée au circuit de filtrage (C1, C2, L1 et C13) après commutation du relais K2.
La commutation du relais entraîne la charge des condensateurs. La figure 12 présente le chronogramme du courant.
Ce courant est mesuré aux bornes d’une résistance de 0,1 Ω. La première pointe monte à 8 ampères pour se stabiliser après 100 mS à 1,4 A peak cadencé à 100 Hz.
Le courant réel en régime est de 480 mA RMS. La valeur du courant de pointe est directement liée à la valeur des capacités tampon et à la résistance interne du secondaire du transformateur. Le redresseur B1 est prévu pour supporter un courant de 4 A en régime et de 200 A en pointe et par sécurité nous avons ajouté une résistance de limitation de 10 Ω (R5). L’ondulation après redressement est de 20 V pp pour un courant de 300 mA et la self d’amortissement limite l’ondulation résiduelle à 600 mVac (figure 13). Cette ondulation tombe à 200 mVac en raccordant l’amplificateur, en effet il y a un condensateur de 82 µF en tête de chaque canal.
La tension de chauffage des filaments est portée à un potentiel de +50 Vdc afin d’inhiber l’influence thermoïonique du filament de la première triode de l’ampli dont la cathode est à un potentiel de +30 Vdc. Le rapport signal / bruit de l’amplificateur est de 96 dB linéaire, et l’oreille collée contre l’enceinte, aucune ronflette n’est perceptible.
Pour rappel, les mesures sur l’amplificateur avaient été faites avec l’alimentation stabilisée. Nous avons refait les mêmes mesures avec l’alimentation non-stabilisée. La seule différence est l’augmentation de bruit de fond qui passe à 200 µV (au lieu de 30 µV). Nous avons aussi noté une tendance plus accentuée d’oscillation subsonique amortie en cas de sollicitation de l’amplificateur non-chargé. Ceci est du à la résistance interne de l’alimentation qui est beaucoup plus élevée. La mesure de la résistance interne statique en régime (Ri) est de 208 Ω pour un courant de 300 mA. La méthode de mesure est montrée en figure 5.
Une mise en parallèle d’une charge active ajoute un courant de 41,7 mA et fait chuter la tension de 8,7 Vdc. La Ri est donc de 8,7 / 0,0417 soit 208 Ω.
Cette valeur n’est pas anormale pour une alimentation non-stabilisée.
Le schéma de la figure 14 met en évidence les différentes réactances qui composent le circuit de filtrage. Les premières mesures (figure 15) ont montré une légère discontinuité vers 20 Hz. Nous avons recommencé les mesures en utilisant une autre méthode et obtenu des résultats semblables. Il s’agit ici d’un phénomène de résonance du à l’association de la self et des divers condensateurs. Toutefois ce phénomène est fortement amorti et sans impact sur le comportement de l’amplificateur.
Remarque importante : La possibilité de mettre l’amplificateur en ‘’Stand-By’’ ou de le faire fonctionner à plus faible puissance n’est pas possible avec l’alimentation non-stabilisée. En effet, sans charge, la tension monte allègrement à plus de 550 Vdc ce qui est fatal pour les électrolytiques de l’alimentation et de l’amplificateur.
MISE EN ŒUVRE
LE CIRCUIT IMPRIME
La fixation de la carte par 4 entretoises M3 F-F de 10 mm est identique à celle de l’alimentation stabilisée.
L’essentiel du circuit tient sur une carte imprimée de 100 x 160 mm (photo 13). Cette carte est équipée de cosses et peut être travaillée sans être gêné par des fils de liaisons.
Test
On commencera par tester le circuit de veille. En appliquant le 230 V au primaire du seul petit transfo, on mesure la tension sur le point ‘’S’’, elle doit valoir environ +30 Vdc. Les deux relais sont au repos. En court-circuitant la cosse ‘’R’’ à la masse ‘’Q’’, le relais K1 est activé suivi environ 20 secondes plus tard par le relais K2. Ensuite, le primaire du transformateur de puissance peut être raccordé. Il est préférable de tester la HT en se servant d’un Variac, ou éventuellement en introduisant une ampoule de 100 W en série avec le primaire, le temps de s’assurer que rien ne claque ou ne fume ! Le test final est effectué avec deux ampoules de 230 V / 60 W montées en série. La charge est d’environ 1800 Ω / 120 W. Il est préférable de raccorder les ampoules avant la mise sous tension.
CONCLUSION
Les deux alimentations ont fonctionné en démontrant leur fiabilité. Le tableau en figure 17 reprend les caractéristiques techniques des deux versions.
Les composants
Composants de l'alimentation stabilisée
Composants de l'alimentation non-stabilisée
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Récapitulatif des photos (Haute définition)