Alimentation 13.5V 20A/30A à partir d'une alim de PC
Ce petit article n'a pas vocation de vous présenter une réalisation reproductible avec tous les détails, comme par exemple la "BIGALIM" du radioamateur F5KAV (dont je me suis inspiré).
Un certain nombre de réalisations similaires est disponible sur Internet, aussi la description suivante a simplement pour but de donner des pistes pour entreprendre une telle modification sur une alimentation similaire ou simplement de faire partager un cheminement de conception.
POINT DE DEPART : UNE ALIMENTATION DE PC BASIQUE
Trouvée sur un vide grenier à 2€, la petite alim PC ATX n'a rien d'impressionnant dans son petit boîtier en acier bien fin, et ses tonnes de poussières à l'intérieur... mais elle annonce fièrement 12V 19A, cela devrait pouvoir servir pour alimenter mon matériel radioamateur ?
Mise sous tension : le ventilateur émet un bruit caractéristique de paliers bien usés ou manquant de lubrifiant (ce qui était le cas, une goutte d'huile à réglé le problème)... Enfin les tensions de sortie sont bien là !
Voici ce qu'annonce l'étiquette :
Si on a la curiosité d'additionner les puissances des différentes tensions, on trouve 545W et non 480W.
On peut quand même espérer que les valeurs indiquées sont tenables en permanent, à condition de ne pas demander le maximum partout.
Un premier essai donne des résultats décevants : la tension 12V s'écroule rapidement si on veut en tirer plusieurs ampères.
Pour comprendre il va falloir analyser la conception...
Un petit tour sur la théorie de ce genre d'alimentation, voir par exemple
http://f6csx.free.fr/MODS/ALIM_PC_28V/Demi_pont.pdf
Où on trouve ce schéma de principe pour 2 sorties:
- la régulation est basée sur une moyenne des 2 tensions 5V et 12V, ce qui peut expliquer un comportement aberrant si une des sorties n'est pas chargée (cette sortie a tendance à monter en tension, ce qui fait baisser l'autre)
- les selfs L1 et L2 sont bobinées sur le même circuit magnétique
Un synoptique de l'alimentation utilisée :
à noter :
- on retrouve la régulation tenant compte des 2 tensions +5V et +12V
- les différentes tensions de sortie sont surveillées (min/max), une anomalie arrête le convertisseur
- dans le mode stand-by, le découpeur auxiliaire +5V fonctionne en permanence, alimenté par le redressement secteur
- l'inductance (sur un tore) comprend un enroulement par tension, le nombre de spires est proportionnel à la tension
- la masse mécanique est reliée au pôle commun de toutes les tensions
- le ventilateur n'est pas régulé en vitesse
CE QUE L'ON PEUT ATTENDRE DE L'ALIMENTATION MODIFIEE
- monter la tension +12V à +13.5V environ, assurer une régulation précise de cette tension, y compris dans les transitoires de consommation
- fournir 20A permanents sur cette sortie, et davantage si possible, au moins sur de courtes durées
- être protégée contre les courts-circuits et les surtensions
- ne pas parasiter une station radio et ses antennes
- permettre le raccordement à une autre source d'énergie (batterie au plomb par exemple), sans consommation résiduelle à l'arrêt
- permettre une sortie flottante (pôle négatif isolé de la masse du boîtier, lui-même relié à la terre du secteur)
- supprimer le mode stand-by qui ne sert à rien pour notre usage, consomme et laisse des tensions dangereuses permanentes
- fournir une information de mise en marche pour commutation d'énergie externe
- ajouter une signalisation par voyants
- limiter le bruit en réduisant la vitesse du ventilateur pour les faibles puissances
MODIFICATIONS DE LA PARTIE HAUTE TENSION
Le filtrage haute fréquence de l'entrée secteur est très sommaire (composants non montés). Un essai préliminaire montre qu'il faut absolument faire quelque chose, sous peine de polluer tout récepteur HF à proximité.
Le plus simple est d'utiliser un filtre secteur tout fait blindé. Le modèle utilisé présente le schéma suivant :
La masse du filtre doit être reliée directement au boîtier de l'alimentation et à la terre du secteur.
L'emploi de ce filtre diminue radicalement les émissions parasites sortant par le cordon secteur. L'alimentation devient compatible d'un E/R HF qu'elle alimente, et avec une antenne de toit à une dizaine de mètres : aucun parasite détectable.
Seule autre modification de cette partie : amélioration du radiateur par fixation d'un morceau de profilé aluminium.
MODIFICATIONS DE LA PARTIE BASSE TENSION
Suppression du mode stand-by
A l'origine, dès l'application du secteur, une partie des circuits sont activés et fournissent une tension 5V. La mise en service des autres tensions et le démarrage du PC demandent à mettre à la masse le signal "Power On" (fil vert).
Le mode standby n'a pas d'intérêt dans notre cas, il a l'inconvénient de laisser en permanence une haute tension dangereuse dans l'alimentation. Le signal Power On sera donc activé (relié à la masse) en permanence et l'inter A/M coupera tout.
Suppression des tensions inutiles
On peut démonter tous les composants (diodes, capas...) servant à la génération des tensions +/-5V, +3.3V, -12V.
Renforcement de la sortie +12V
Transfo
Le transformateur n'est pas facilement modifiable, l'idéal aurait été de supprimer tous les enroulements inutiles et de rebobiner l'enroulement 12V en plus gros. En pratique il supporte sans échauffement catastrophique un courant supérieur à 20A.
Diodes
La double diode de redressement du +12V est un modèle spécifié à 12A eff max (pour 19A annoncés !) : il est temps de changer ! Une tension inverse élevée est requise (au moins 200V) pour éviter tout risque avec les parasites de commutation. Le modèle optimal est par exemple une MUR3020 (Schottky très rapide 30A 200V). J'ai utilisé 2 diodes MUR 1560 (15A 600V) un peu moins performantes en chute de tension, mais thermiquement supérieures.
Self
La self de sortie comprend à l'origine un enroulement pour chaque tension, avec un nombre de spires proportionnel à la tension, bobiné sur un tore T90-26 (26 est le matériau, courant et pas très performant). On ne conservera qu'un enroulement.
La self de sortie doit être impérativement améliorée, elle présente à l'origine sur la sortie 12V (26 tours en fil de 1.2mm) une résistance de 13 mΩ, soit une dissipation de 5.2 W sous 20A, ce qui est beaucoup trop pour ce petit tore.
Pour gagner en résistance, on peut changer de tore pour augmenter le diamètre du fil et mieux dissiper la chaleur, je suis passé au modèle T130-26 nettement plus gros. Le gain en résistance n'est pas très rapide car on augmente la longueur du fil avec la taille du tore. Avec 2 enroulements en parallèle de 23 spires de 1.5mm, on arrive à 5mΩ, soit une dissipation de 4.5W sous 30A.
L'autre aspect de cette self et la valeur de l'inductance. On s'aperçoit que le noyau magnétique est rapidement saturé pour les courants élevés, et donc l'inductance diminue rapidement dans ces conditions (voir http://www.electronics-tutorials.com/basics/toroids.htm http://www.micrometals.com/images/curves/DCpercentmagforce.html ).
A vide l'inductance élevée est favorable au fonctionnement sans charge (il ne reste que la consommation du ventilateur et de quelques autres circuits), avec une self trop faible la régulation est incapable de fonctionner et il y a disjonction par tension trop forte).
En charge l'inductance diminue considérablement (jusqu'à -75% environ) sans avoir d'autres inconvénients qu'augmenter l'ondulation de sortie.
Câblage
J'ai amélioré autant que possible le cheminement des courants forts : raccordement direct de la self aux diodes, doublage des pistes du circuit imprimé par du gros fil de cuivre.
Refroidissement
Le radiateur des diodes de sortie est également sérieusement amélioré par fixation d'un morceau de profilé aluminium.
Le ventilateur est à l'origine en mode aspiration, l'air pénètre par différentes entrées. Ce mode équilibre mieux ces différents flux, mais est réputé moins efficace (vitesse d'air plus faible, pas de turbulences). J'ai donc retourné le ventilateur, ce qui permet éventuellement de mettre un filtre à l'entrée du ventilateur et éviter l'encrassement.
Augmentation de la tension
La régulation est à l'origine basée sur une moyenne des tensions +5V et +12V, qui applique une tension de 2.45V sur le point 16 du circuit régulateur WT7514L.
Il faut réguler sur la sortie 12V, portée à 13.5V et modifier le pont diviseur.
Isolement galvanique de la sortie
A l'origine, les circuits de sortie sur un PC ont un commun relié à la masse mécanique et à la terre du secteur.
Ceci peut créer des boucles de masse avec des appareils également reliés à la terre secteur ou injecter des perturbations dans des appareils de mesure à cause de la chute de tension dans les câbles d'alimentation de l'appareil alimenté.
L'isolement de la sortie est facilement réalisé dans mon cas en plaçant des rondelles isolantes sous le circuit imprimé à certains points de fixation, les circuits de sortie étant naturellement isolés par ailleurs.
Par contre cette isolation ne permet plus d'écouler les perturbations haute fréquence issues du découpeur, on est obligé de placer une capacité entre le pôle négatif de sortie et la masse mécanique. Un condensateur de 100nF suffit, mais peut réduire l'isolation dans certains cas.
Sécurités de tension
Le
circuit régulateur WT7514L surveille les tensions 3.3V, 5V et 12V, ainsi que
deux entrées annexes PT(4) et DET(12).
Il faut reconstituer les tensions 3.3V et 5V, en utilisant le 5V stand-by VCC(13).
Le signal DET doit être porté à +5V.
Le signal PT doit être porté vers +1V.
Déconnexion de la sortie à l'arrêt et information de mise en marche
La déconnexion de la sortie à l'arrêt a pour but de pouvoir mettre l'alimentation en parallèle avec une autre source d'énergie, notamment une batterie au plomb, sans décharger cette dernière à l'arrêt.
La présence de diodes assure cette fonction naturellement, mais certains circuits (dont le ventilateur et l'asservissement de la tension) débiteront un courant inacceptable, il faut donc les couper à l'arrêt, à partir de la présence du 5V stand-by.
Un PMOS IRF9530 associé à un petit NPN assure cette fonction.
La fourniture d'une information de mise en marche permet de connecter une batterie au plomb à des appareils utilisateurs lorsque l'alimentation secteur est mise en marche.
La circuiterie ci-dessus fournit cette information, avec une réserve : ne pas trop consommer. L'alimentation d'un relais 12V (environ 200mA) reste possible avec peu d'incidence sur la tension de sortie : 0.3 Ώ (PMOS) x 0.2A = 60mV max.
Signalisation
L'alimentation
d'origine n'a aucun voyant, ce qui n'est pas gênant dans un PC.
3 voyants ont été ajoutés :
- la sortie 13.5V (vert)
- le 5V stand-by (jaune) qui restera allumé en cas de disjonction
- l'alarme (rouge) allumé en cas de disjonction et en cas de tension hors limites (s'allume brièvement au démarrage et à l'arrêt)
Pour faire simple ces voyants sont simplement visibles par les ouïes de refroidissement.
CEM et ondulation de sortie
En dehors du filtre secteur et de la capacité de 100nF entre le pôle négatif et la masse, un condensateur de 10000µF 25V est placé en sortie, avec en série un tube ferrite récupéré sur un câble USB.
L'ondulation de sortie à la fréquence de découpage (vers 60kHz) est inférieure à 50mV c/c.
Les composantes HF restent à évaluer.
Courant de sortie
Un test à 32A (430W) pendant 5 mn ne montre aucun échauffement excessif.
La chute de tension est de l'ordre de 100mV/30A.
L'examen des signaux montre que l'on dispose encore d'une marge de courant.
La limite précise avant disjonction reste à déterminer (une régulation en courant max sans disjonction est possible mais assez complexe car il faut gérer la sécurité de sous-tension et conserver la protection contre les courts-circuits).
Gestion du ventilateur
Le ventilateur n'est pas géré en vitesse, fonction restant à développer si on veut limiter le bruit.
REALISATION
Le poids est inférieur à 1kg.