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Auteur Sujet: Alimentation laboratoire 0-30V 0-3A  (Lu 486 fois)

Cécile

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Re : Alimentation laboratoire 0-30V 0-3A
« Réponse #15 le: juin 25, 2019, 11:38:09 am »

Bonjour bonjour!

Voilà la seconde version de cette alimentation de laboratoire.
Modifications apportées:
FEUILLE 1
- transformateur changé
- le pont de diode a été choisi, il est adapté aux forts courants (d'après la simulation, il convient)
- Les capas de filtrage on été modifiés, on passe de 4700µ à 6x2200µ soit 13200µF (plus ne serait forcément rentable, moins serait trop bruyant)
- L'étage de puissance a été modifié, et simulé (schéma de la simulation en pièce jointe)
- Les aop ont été changés, afin d'avoir de meilleures performances (plus rapides, tension de fonctionnement plus haute, par exemple)
- Le réglage de la tension d'offset pour les aop de régulation de courant / tension est plus adapté.
- un certain nombre de petits connecteurs ont été rajoutés, pour les tests notamment
- le SD882 a été remplcé par un BD139 (c'est un équivalent)
FEUILLE 2
- le PWM a été remplacé par des DAC MCP4725.
- De l'eeprom a été rajoutée (pas forcément utile, c'est surtout si je veux faire des tests, plus tard; pas forcément peuplé sur le pcb, donc)
FEUILLE 3
- Une tension de -3.3V a été ajoutée (pour les aop, réglage de l'offset, bref, c'est très utile)

Ce qui reste à faire:
- le connecteur pour l'écran est mauvais. Celui que j'utilise requiert 5 + 8 broches, ce qui vas rapidement limiter celles du stm32...
- les broches du stm32 ne sont pas optimisées (pour l'orientation sur le pcb)
- Le choix de U3 est éventuellement à revoir
- il faudrait limiter la bande passante du INA301A2
- Le nombre de tensions différentes est un peu trop grand à mon goût, mais chacune est essentielle, donc bon...
- le code est encore à faire...
- si la charge de l'alimentation est bruyante, quelle sera l'influence sur les mesures?
- essayer d'avoir une mesure tension courant la plus stable possible


Résultat global de la simulation (en pièce jointe)
- Le bruit en sortie est inférieur à 0.001%, à 30V et 3A (cela convient, on est dans le cahier des charges)
- l'augmentation du nombre de capas de filtrage, ainsi que la capacité globale permet à présent une oscillation de sortie de 1.7Vpp, avec un courant à l'allumage de 15A dans chacune des capas, puis de 2A (avec une charge de 3A).
- la tension de 36V met 800ms à s'établir... mais le temps que l'alimentation s'allume (logiciel), ce n'est pas gênant.
- la limitation de courant (Q4 sur la simulation) permet de limiter le courant à max 3.7A. Par contre, si cette limite de courant est active trop longtemps, elle se met à osciller... avec une amplitude de 2V environ, et nous avons des pics de courant allant jusqu'à 4A. Elle se met à osciller en 1.5ms (environ) dans une situation de court circuit (plus le courant à fournir est élevé, plus le temps avant qu'elle oscille est court). Il serait donc bon que l'autre limitation de courant prenne le relais avant que l'oscillation ne commence... Soit en de l'ordre de 1ms.
- le régulateur de tension (36V) a un bruit de 26mVpp dans le pire des cas (3A de charge, bruit de 1.7Vpp en entrée)
- plus C1 est élevé, plus l'oscillation de sortie est élevée.


Ordre de montage sur le pcb (pour éviter la quantité de casse)
- pont de diode et filtrage, on vérifie la tension de sortie à vide
- montage du second transformateur, avec toutes ses tensions (5v, 3.3v, -3.3v)
- mise en place de l'étage de puissance, ainsi que de l'aop de régulation de tension, et on applique une tension sur sa broche non inverseuse pour tester le circuit.
- mise en place de la limitation de courant, test.
- montage des deux ref de tension, test
- mise en place des deux DAC, test
- On monte le uC, test.
- on finit avec le reste (connecteurs...)

Réponse à vos posts, à présent :)
Yffig:
Je n'ai pas copié ce que Dave a fait, j'ai compris ce qu'il a fait, et je l'ai reproduit (le 0 pour dire tout n'est pas rare, même si j'ai plus l'habitude de voir 9999 dans ce cas).
Vous aviez raison pour le TIP41C pour la limite de courant, j'ai testé les deux et j'ai 5.8A max (avec le 2N3904).
Pour R3 et R4, c'est une très grosse erreur de ma part, j'avais en tête que ces résistances servaient à limiter le courant passant dans la base des transistors, et qu'ils étaient absolument nécessaires. Il y en avais d'ailleurs, sur le premier topic que j'avais créé (l'autre schéma inspiré d'eevblog), du coup, je pensais avoir raison. D'ailleurs, sur la simulation, à 1A 30V, on ne dépasse pas 100µA à la base du transistor (le bd139).
Une limite de courant à 100ms? mais c'est nul, non? Enfin, je veux faire mieux que ça, personnellement... C'est d'un lent, 100ms...
Pour l'oscillation de sortie après filtrage, le problème à l'air réglé. Pour le pont de diode, je pense aussi, du moins, si j'ai bien lu la datasheet, mais normalement, c'est bon.
Le radiateur utilisé sera un amd, donc 4cm d'épaisseur... Impossible de fixer des 2N3055 là dessus ! En tout cas, merci beaucoup pour la proposition!
Et, merci pour vos conseils!!! :)

Jean louis:

Merci, mais je reçois aussi beaucoup d'aide, d'Yffig, notamment. Et puis, le design de base n'est pas de moi...

Voilà, je pense que c'est tout... J'espère arriver au bout de la partie théorique, il me resteras le routage, puis les tests.

En tout cas, merci pour toute votre aide!

Cécile




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Yffig

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Re : Alimentation laboratoire 0-30V 0-3A
« Réponse #16 le: juin 26, 2019, 07:44:04 am »

Bonjour Cécile !
D'abord on espère tous que tes épreuves du bac se sont bien déroulées.
Je vais répondre rapidement à ta nouvelle mouture, sans pouvoir être exhaustif (y' a beaucoup à commenter), je vais donc me contenter de qq remarques initiales à partir du schéma Simu.png de LTSpice:
-Tu pars de 50V non régulés...Quand tu fais un court circuit (avec un courant limité uniquement par Q4 et R5) tu auras environ 0.6V/0.15= 4A soit environ 200W à dissiper dans tes 2 TIP41C sur radiateur AMD (? qu'est ce ? quelle taille , quelle résistance thermique ?) et même avec un ventilo...je te garantis que ça ne tiendra pas !
Très généralement tu auras souvent besoin de 5V, 3.3V, voire 12v et un fort courant soit une tension et donc une dissipation de plusieurs dizaines de W dans chaque transistor. Ca va pas le faire...
-Tu parles de bruit...N'est ce pas plutôt de "ripple" dont  il s'agit (en bon français de résiduelle 100 Hz) ?
- Les 100ms de temps de réponse de la partie CC que j'ai évoqués précédemment (en citant l'expérience de Cyrob pour confirmer mes propres tests) ne peuvent pas être mis en évidence par ta simulation puisque la partie CC n'y existe pas. Q4 et R5 ne sont pas une CC mais une PRECAUTION ULTIME. L'ensemble transistors ballast et Q4 forment en quelque sorte un unique composant dont le temps de réponse est très rapide et elle n'est pas la cause de l'oscillation que tu constates...
Cette oscillation (de la régulation de tension !) est liée à la très fragile stabilité de la boucle de régulation de tension, et encore, tu n'as pas chargé ta sortie avec un bon gros condo....(test obligatoire ! j'y mets à demeure un 1000µ !).
Cet aspect stabilité  de la régulation de tension (qui s'observe pas en sortie régulée mais DANS LA BOUCLE ELLE MEME, en sortie de l'AmpOp) est un sujet vraiment délicat et "touchy" qui ne se finalise que sur prototype.

Bref, ne t'emballe pas trop vite, il y a encore du boulot, en particulier sur les aspects puissance dissipée dans les ballasts, je pense que tu es largement sous dimensionnée; un TIP41C à une température de boîtier de 80°C ne peut même pas supporter 40W (cf Datasheet ON Semi fig.1 par ex.);

Bon courage.
Yffig

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Yffig

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Re : Alimentation laboratoire 0-30V 0-3A
« Réponse #17 le: juin 28, 2019, 06:56:48 am »

Bonjour Cécile,
J'espère que tu as pu accéder au doc dont je t'ai transmis l'URL (c'est probable que tu sois alors plongée dedans...)

Je voulais juste te faire une remarque, je te cite:
"Une limite de courant à 100ms? mais c'est nul, non? Enfin, je veux faire mieux que ça, personnellement... C'est d'un lent, 100ms..."

Il te faut rester calme et humble  ;)
Je t'ai transmis l'expérience de Cyrob qui a constaté que la limitation de courant CC met au mieux 100ms pour être active sur grand nombre d'alims du commerce. Je t'ai déja signalé que si ces alim valent des dizaines et même des centaines d'euros, c'est pas pour t'arnaquer .
Si des équipes d'ingénieurs de R&D n'arrivent pas à faire mieux que 100 ms, N'IMAGINE PAS que TU FERAS MIEUX, NON !
Il y a une raison à cela: que tu sois en CV ou en CC, tu as toujours affaire à un asservissement = système bouclé dont tu dois assurer la stabilité sous toutes conditions (tu l'as même simulé et constaté que ça oscillait... en CV).
Pour ce faire, il est nécessaire de "couper la bande passante en boucle ouverte (BO) de l'asservissement assez tôt (en fréquence) pour que le gain en BO devienne < à 1 quand la phase en BO s'approche de 135°...180° (je ne sais pas si tu as acquis ces notions), ou autrement dit, il te faut créer un pôle de compensation suffisamment bas en fréquence pour respecter la condition (c'est le rôle du condensateur "intégrateur" en sortie de l'AmpOp et l'entré inverseuse).
C'est donc essentiellement pour cela que les alims linéaires ne sont pas des"foudres de guerre" en régime transistoire:
- en mode CV, tu vas améliorer cette réponse en transitoire avec un bon gros condo en sortie (bien que celui ci influe sur la réponse en BO...mais l'art de l'ingénieur c'est le compromis...)
- en mode CC, tu dois donc mieux comprendre pourquoi ça met 100 ms avant de réagir... et que ton courant délivré doit être limité par un autre moyen avant que CC ne soit active (c'est le rôle de LIMITE ULTIME) pour protéger tes transistors ballasts (cf l'alim chinoise de base qui crame son SD1047).

Autre point: C14 de ton schéma 1 (C5 de ta simulation)... Tu es sûre de toi ?
(NB: dans ton schéma 1, tu as même oublié de brancher le feedback de Vout sur l'entrée (-) !)

Et aussi, selon certains auteurs 50v en DC... ça commence à être potentiellement dangereux ! "'Tention à où tu mets tes mains

Bonne journée
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Cécile

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Re : Alimentation laboratoire 0-30V 0-3A
« Réponse #18 le: juin 30, 2019, 12:13:13 pm »

Bonjour,
Désolée pour le délai.
En effet, je me suis un peu énervée pour le "C'EST LENT 100ms!!!!", je sais que j'ai tort. C'est juste que je me demande quand à son utilité, si c'est aussi lent... Et je ne dit pas que les ingénieurs sont des incapables, juste que bon... 100ms... c'est grand... après, il y en a qui réagissent en 250µs, mais c'est beaucoup plus complexe, j'imagine.
Après, il serait possible d'utiliser la fonction limite de courant de l'ina301 (c'est un comparateur) pour stopper l'alimentation en moins de 10µs, mais pas de CC alors, plus une OCP

Le radiateur AMD est la radiateur de base donné avec les processeurs amd: il fait 90x90x25, 28 ailettes de chaque coté, de 1mm d'épaisseur. il est facile à fixer, et refroidit bien. Mais pas pour 200W, effectivement. (mm si c'est moins en réalité)

Par bruit, je voulais dire 'ripple'. 'Petit' abus de langage...

Pour 'couper' la bande passante en boucle ouverte, en effet je n'ai pas toutes les notions, mais je comprends quand même. Pour mieux appréhender tout ça, je vais probablement faire des simulations en plus.

Pour C14, non, je ne suis pas sûre, je l'ai surtout mis là pour filtrer, mais en l'enlever affecte peu (pas) le circuit.
Et en effet, Vout n'était pas relié à la broche - (j'abrège).


Sinon, je pense baisser la tension de mon alimentation à 20V, et l'intensité à 2A. En effet, je ne pense pas avoir l'utilité de 30V, pareil pour 3A... Et puis, j'ai un peu fait mes comptes, et baisser la tension / courant met permet d'économiser pas mal (forcément, le transfo, filtrage...), mais aussi de réduire la chaleur à dissiper. Le tout me permettrais de finir le projet plus rapidement.. Et puis, effectivement, 50V, c'est dangereux (mais bon, ça va).

Merci pour votre aide!

Cécile
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Yffig

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Re : Alimentation laboratoire 0-30V 0-3A
« Réponse #19 le: juillet 01, 2019, 10:23:04 pm »

Bonsoir Cécile,
Je regardais le schéma de ta simulation sous LTSpice , sans doute avec la XVII puisqu'il y a un ADA4522-1 qui n'existe pas dans la version IV, tout du moins dans la 4.23i que j'utilise.
On trouve aussi dans ta simulation les 2 BJT suivants: TIP41C et BD139 non disponibles en \lib\cmp\standard.bjt de la XVII ... C'est donc que tu as trouvé leurs modèles Spice sur le net et que tu les as importé dans la version XVII, non ?
Tu progresses bien  8)
Je suppose que tu as ajouté les .model de ces 2 BJT dans standard.bjt, non ?
Je ne sais pas encore comment fait la XVII que je viens d'installer mais en ce qui concerne la IV, chaque update de LTSpice écrasait les .model que j'avais ajoutés dans cette bibliothèque standard.bjt. Pour éviter cette galère, j'ai créé des fichiers texte pour conserver ces importations (par exemple pour les BJT, j'ai un fichier BJT.lib dans \lib\sub où je mets tous les .model que j'ai récupérés) et dans mon .asc, j'ajoute la directive Spice suivante:  .include bjt.lib. J'ai fait idem pour les diodes et les Jfet.
Pour des composants plus sophistiqués (MOSFet et Puces), il faut passer par les subcircuits et la bibliothèque personnalisée \AutoGenerated ce que je n'ai pas encore testé sur la XVII mais je vais le faire et je te dirais si c'est OK...à moins que tu ne sois suffisamment avancée pour l'avoir déjà fait  ;)

Un détail sur ta simulation: tu as conservé R9 à 0.1R...La valeur à y mettre dépend de la résistance de ton transfo en particulier, je l'avais mise à 0.1 pour ne pas oublier qu'elle existe mais elle est à mesurer ou estimer.

Bonne soirée
Yffig


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Yffig

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Re : Alimentation laboratoire 0-30V 0-3A
« Réponse #20 le: juillet 02, 2019, 11:18:27 pm »

Bonsoir Cécile,
Je t'avais promis de développer les aspects Puissance dissipée dans le transistor ballast d'une alim linéaire et sécurité de fonctionnement de la pauvre puce stressée.
Je commence par le cas d'un unique transistor ballast: un 2SD1047, celui de l'alim chinoise...

Je fais ici référence à la datasheet ST Micro d'un 2SD1047.
@ page2- Electrical Ratings Table2, on y trouve:
 -Ptot à Tc (c=case=boîtier)=25°C => 100W (max), c'est bien sûr Pd=Vce*Ic que le transistor dissipe... à condition que son boîtier (case) soit maintenu à 25°C et pas plus !
- Tj (j=junction) = 150°C (max).
On en déduit facilement que, si la température du boîtier est maintenue à 25°C et que le transistor dissipe Pd= Vce*Ic = Ptot = 100W,  c'est que la résistance thermique du D1047 entre jonction et boîtier vaut : (150°-25°)/100W = 1.25°C/W (ou plus rigoureusement 1.25 Kelvin par Watt). C'est bien ce que donne la table 3: Rth j-case =1.25°C/W.
Jusque là pas de pb, l'alim est donnée pour 30V*3A=90W...
Sauf que c'est SI LE BOITIER EST MAINTENU à 25°C... et UNIQUEMENT DANS CE CAS.
Donc il faut ABSOLUMENT maintenir le boîtier à 25°C pour pouvoir tirer 100W de ce transistor, OR
- la température ambiante est souvent supérieure à 25°C => mettre l'alim au frigo ? ;)
- et même si cette condition Tambiante <= 25°C est respectée, la différence de température entre boitier et ambiance est directement dépendante du radiateur utilisé (et de sa ventilation par convection ou forcée par ventilo).
Il est donc en pratique impossible, sauf radiateur de taille infinie ou refroidi par eau de source, effet Peltier, azote liquide .. ;) , de satisfaire à la condition Tcase max =25°C sous nos latitudes...

Suppose alors que tu arrives à maintenir la temp du boîtier à 50°C ou 80°C grace à un très bon ou correct "radiateur":
-A 50°, Tj max = 150° => le delta T entre jonction et boîtier sera de 100°. Avec une Rth de 1.25°C/W pour le D1047, la puissance max que pourra supporter le transistor sera de 100 (°C)/1.25 (°/W) =  80 W
-A 80°, Tj max = 150° => le delta T entre jonction et boîtier sera de 70°. Avec une Rth de 1.25°C/W pour le D1047, la puissance max que pourra supporter le transistor sera de 70 (°C)/1.25 (°/W) =  56 W

Quand cette alim chinoise est mise en court circuit (avec sa limitation CC au max), le transistor va devoir dissiper Vce*Ic:
-Vce est alors en moyenne de 27.6V ( pour Vpeak= 30v et C filtrage de 3000µF) (valeur fournie par LTSpice)
-Ic ~ 3A
soit ~82.8W.
Le radiateur prévu pour 50°C max est plus que limite, celui qui est calculé pour 80° fera fondre le transistor dans la seconde qui suit.

Voilà donc une première approche de la problématique. Ce n'est même pas la peine d'aborder la figure 2 de la datasheet (Safe Operating Area) car la courbe DC Operation du graphique est forcément celle de Tc=25°C, totalement irréaliste...
Donc, quand tu auras fait ton choix de transistor ballast (et du nombre de ceux ci), refais ces calculs très simples et tu sauras très vite si ça va tenir le choc (ou pas !).
Si tu te contentes de 20V et 2A soit 40W en court circuit, avec un système de dissipateur qui t'assure moins de 80°C au boîtier, ce transistor D1047 suffit.

Bonne lecture

PS: il faudra aussi que je revienne sur ta vision du mode CC, ce n'est pas une source de courant constant, c'est une limitation réglable du courant max que va délivrer ton alim.. ça peut vraiment servir même si ça met du temps à réagir (mais le mode CV aussi  ;) ).

Yffig
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Cécile

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Re : Alimentation laboratoire 0-30V 0-3A
« Réponse #21 le: juillet 04, 2019, 04:40:05 am »

Bonjour,
Merci pour toutes ces informations très intéressantes.
Sinon, d'après la datasheet du TIP41C, de chez on semi, il tient 40W pour 70°, donc si j'en met deux, cela devrait convenir. (je m'acharne sur les TIP41C car j'aimerais bien en avoir, je n'ai pas de transistors passe-partout de cette puissance, et puis, si ils conviennent...)

Oui, j'ai rajouté des transistors dans le fichier texte de LTspice, On peux convertir du Pspice en LTspice, aussi (BD139). Pour R9, je ne sais pas exactement quelle valeur mettre, je vais voir ce qu'il en est.

Oui, le CC n'est pas une  source de courant constant, même si on peux parfois l'utiliser de manière assez similaire (je crois).

Merci pour tout ça, je vais continuer de lire tAoE, et adapter mon alimentation pour 20V 2A.

Bonne journée,

Cécile
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Yffig

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Re : Alimentation laboratoire 0-30V 0-3A
« Réponse #22 le: juillet 04, 2019, 08:36:55 pm »

Bonsoir Cécile,
Le choix du TIP41C est un bon choix mais je suis surpris du prix chez nombre de distributeurs...
Originellement, ce TO220-like est apparu dans les années 70 chez Texas Instruments comme son nom l'indique et puis TI a certainement dû abandonner le process et ne le fait plus. On le trouve chez ON, ST, et autres.
J'avais acheté un lot de ST micro sur eBay (plus son cousin PNP TIP42C) en Thailande à ~030€ pièce chez ThaiShop ETC, aujourd'hui disparu.
Les Allemands de Reichelt ont une seconde source à 0.27€ pièce.. et il y a plein de vendeurs AliExpress à prix fracassés .
Farnell a une 2nde source Multicomp un peu chère (1.46€ à l'unité).

Juste un petit détail: la datasheet ON semi a un bug...
Ils donnent une Rth-jc de 1.67°C/W alors qu'elle est de 1.92°C/W (confirmé par la DS de Multicom chez Farnell) et par le calcul du Power Derate above 25°C de ON (=0.52W/°C):
A 70°C, tu auras donc 65W-0.52*(70°-25°)= 41.6W, qui matche bien avec ton estimation de 40W. Ca roule !
A plus !
Yffig
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