Alimentation de laboratoire

Tout électronicien devrait avoir dans son atelier une alimentation dite « de laboratoire« . Une alimentation de ce type est un boitier d’alimentation permettant d’avoir plusieurs tensions disponibles ajustables et/ou fixes avec un ou plusieurs afficheurs indiquant la tension et l’intensité consommée par le « récepteur » alimenté. Une alimentation de ce type permet de tester des montages électroniques, des moteurs ou de tester des appareils dont on n’a pas forcément le bloc d’alimentation d’origine. Ce genre d’alimentation coûte en moyenne dans le commerce entre 400 et 800 € suivant la puissance délivrée.

Moyennant moins de 200€, à partir d’un bloc d’alimentation ATX de PC j’ai réalisé ce montage dont les caractéristiques sont les suivantes :

• 1 sortie fixe -12 V/0/+12 V sous 800 mA max (9,6 W)
• 1 sortie ajustable de 12 V à 35 V sous 9 A (intensité max ajustable via potentiomètres interne)
• 1 sortie ajustable de 1,2 V à 12 V sous 6 A max (intensité max ajustable via potentiomètres interne)
• 1 sortie fixe de 5 V sous 20 A max
• 1 sortie fixe de 3,3 V sous 20 A max (130 W)

Ade réaliser cette alimentation, j’ai utilisé un bloc d’alimentation ATX de PC, modèle S12II de 430W de la marque Seasonic (ce modèle n’est plus disponible à la vente actuellement, mais tout autre modèle équivalent est bien sûr utilisable, il faudra juste adapter les composants suivant les caractéristiques du bloc ATX choisi). J’ai utilisé ce bloc d’alimentation pour différentes raisons : son silence, son rendement de plus de 85 % (80PLUS® Bronze), la fiabilité de ses composants et sa qualité de régulation. Il vaut mieux utiliser une alimentation de qualité plutôt que de récupérer un bloc sur un vieux PC trainant dans son garage ou trouvé à la déchetterie du coin. La marque Heden par exemple, très courante dans des tours achetées en grandes surfaces, qui sont des blocs ATX chinois très bas de gamme à moins de vingt Euros (!). Pourquoi ne pas utiliser ce genre d’alimentation ATX ? Pour plusieurs raisons : la piètre qualité des composants électroniques, la présence de plomb dans les soudures pourtant interdit en Europe depuis 2011 (RoHS), les risques réels d’incendie car ces alimentations sont pourvues (ou pas) de systèmes de sécurité quasi inefficaces, des puissances affichées sur l’étiquette qui sont souvent farfelues (600 W indiquée, alors que l’alimentation ne délivre réellement que 250 W par exemple), une régulation désastreuse qui risquent de nuire à vos appareils et un rayonnement électromagnétique non négligeable. Pour ceux que ça intéressent, voici un article très instructif sur les alimentations de PC paru en 2008 sur le site de Canard PC. C’est valable pour ceux qui désirent construire eux-mêmes leur PC, mais aussi pour les bricoleurs qui souhaitent récupérer un bloc d’alimentation pour se fabriquer une alimentation de laboratoire digne de ce nom. C’est un composant généralement négligé, mais dont la qualité doit être vraiment prise au sérieux, surtout en informatique, où les composants sont très sensibles aux fluctuations de tensions et aux parasites.

Matériel nécessaire

• 1x bloc d’alimentation ATX 430 W ou plus – Le modèle be quiet! System Power 10, 450 W par exemple – Amazon (60 €)
• 1x boitier 280x170x80 en acier, ventilé, avec façades AV/AR en plastique – Aliexpress (30 €)
• 3x mini afficheurs Volt/Ampère, DC 0-100 V, 10 A – Aliexpress (10 €)
• 1x Step Down XL4016 280 W DC 300 W DC-DC (abaisseur de tension réglable de 0.8 à 12 V) – Aliexpress (3 €)
• 1x Step Up OSKJ 150 W DC 150 W DC-DC (module éleveur de tension réglable de 12 à 35 V – Aliexpress (3 €)
• 2x potentiomètres multi-tours de précision, 10 K – Aliexpress (3 €)
• 2x boutons en plastique (3 €)
• 1x interrupteur poussoir lumineux 12 V 6 pins diam. 22 (LED intégrée) – Aliexpress (1.5 €)
• 3x portes fusible diam. 5 mm pour châssis (15 €)
• 3 fusibles verre diam. 5 mm de 6.3 A, 10 A et 20A (2 €)
• 1x interrupteur avec prise IEC320 – Amazon (10 €)
• 2x ventilateurs ultra silencieux (Noctua NF-A4x10, diam. 40 mm, 12 V) – Amazon (20 €)
• Bornes de test femelle, type M5 (4 rouges, 5 noirs, 1 bleue, 1 verte) – Aliexpress (10 €)
• Des entretoises en nylon, quelques vis M3 + rondelles + écrous
• Du câble cuivre multibrins, diam. 0.25 mm² de différentes couleurs (rouge, jaune, noir, vert, violet, orange, gris), de la gaine thermorétractable, outillage divers (pince coupante, tournevis et fer à souder.
• De la patience !

Vous pouvez bien sûr utiliser des fils de la même couleur, mais attention à l’embrouille, car il y a vraiment beaucoup de fils !

Schéma de principe

Il s’agit d’un schéma de principe et non d’un schéma électronique complet (je n’ai pas le temps d’en faire un et ni l’utilité d’un tel schéma). Le schéma de principe permet de comprendre l’ensemble du montage et d’assembler les différents éléments sans trop de difficulté. Les deux ventilateurs de 40 mm sont à brancher à la place du grand ventilateur du bloc ATX que l’on supprimera, ainsi la régulation interne du bloc activera ou non les ventilateurs. Attention, il y a beaucoup de fils et de connexions différentes. L’usage de fils de couleur simplifie grandement le montage. Concernant la section des fils, un petit calcul s’impose suivant le bloc ATX que vous utiliserez afin de ne pas avoir de surchauffe des conducteurs.

Section du conducteur :

S = ρ x L x I / PT où ρ (résistivité du cuivre) = 1,75 10^-8 Ωm soit 0,0175

• S = section du conducteur en cuivre exprimée en mm²
• L = longueur du conducteur exprimée en métre
• I = l’intensité exprimée en Ampère
• PT = perte de tension acceptée au niveau des câbles exprimée en Volt et qui, par convention, est située entre 2,5% et 5% de la tension nominale sans jamais dépasser cette valeur.

Soit, pour 12V sous 10A avecs une perte mini de 2.5% (PT = 12 x 2.5%) et maxi de 5% (PT = 12 x 5%)

S_max = 0.0175 x 0.5 x 10 / (12 x 2.5%)
S_max = 0.0875 /0.3
S_max = 0.29mm²

S_min = 0.0175 x 0.5 x 10 / (12 x 5%)
S_min = 0.0875 x 0.6
S_min = 0.15mm²

Soit une S_moy de 0.22mm²

Soit, pour 35V sous 8A (le maximum délivrable par le montage), avec toujours une perte mini de 2.5% (PT = 35 x 2.5%) et maxi de 5% (PT = 35 x 5%)

S_max = 0.0175 x 0.5 x 8 / (35 x 2.5%)
S_max = 0.07 /0.875
S_max = 0.08mm²

S_min = 0.0175 x 0.5 x 8 / (35 x 5%)
S_min = 0.07 /1.75
S_min = 0.04mm²

Soit une S_moy de 0.06mm²

Pour ne pas s’embêter avec différentes sections, on choisira la section maximum pour l’ensemble du montage soit : 0.25mm² (section standard du câble en vente dans le commerce)

Correspondance des couleurs des alimentations ATX

On utilisera le rail 12 volts soit les fils jaunes (il y a deux rails 12 V sur la Seasonic : Rail 1 qui peut délivrer jusqu’à 17A et le rail 2 de 17A également). On repartira donc les charges entre le rail 1 et le rail 2, le -12 Volts (fil bleu), le +5 V pour la sortie 5 Volts et l’alimentation des afficheurs (fils rouges), le +3.3 Volts (fils orange), le fil vert PWR-ON pour le démarrage de l’alimentation via le bouton poussoir (voir plus loin le module Soft-switch), le fil violet PWR-STBY +5 V permanent qui alimentera le module Soft-switch et la LED indiquant que l’alimentation connectée au secteur, le fil gris PWR-Good pour alimenter la LED incorporée au bouton poussoir indiquant que l’alimentation est sous tension et enfin les différents fils noir pour les différentes masses reparties dans le boitier.

Afficheurs numériques

Les afficheurs sont reliés au reste du circuit de la même façon que si l’on souhaitait relier un voltmètre (en parallèle) pour mesurer une tension et un ampèremètre (en série) pour mesurer une intensité. Il y a deux fils que l’on doit relier en parallèle pour lire la tension de sortie et deux autres fils qu’on doit mettre en série avec la sortie pour mesurer le courant. Certain module ont un fil commun comme sur un multimètre qui lui possède une masse de référence commune. Ces modules permettent de se faire une idée de la tension de sortie et du courant consommé. Ce ne sont pas des instruments de mesure ! La précision n’est pas excellente (environ +/- 300 mV et +/- 50 mA) mais c’est suffisant. Pour plus de précision, vous pouvez brancher votre multimètre sur une des sorties afin de comparer.

Step-up / step-down

Step-down – XL4016 280W DC

Ce module convertisseur/élévateur de tension 240 V CC/CC 5 V à 40 V vers 1,25 V à 35 V vous permet de réduire une tension d’entrée de 40 V (max) et de régler la sortie entre 1,25 V et 35 V. La tension d’entrée doit être supérieure à la tension de sortie. Ce module possède également un circuit d’ajustement de courant constant (CC).
La conception du convertisseur/abaisseur est basée sur la puce convertisseur CC/CC XL4016 180 kHz de XLSEMI.

Dans notre cas la tension d’entrée étant de 12 V (rail 1, 12 V de l’ATX) nous pourrons abaisser et faire varier la tension de 1.25 V à 12 V

Step-up – OSKJ 150W DC

Ce module est un convertisseur de tension continu/continu de 150 W, 10-32 V en entrée vers 12-35 V en sortie. Il vous permet d’augmenter la tension d’entrée de 10V mini vers la sortie ajustable de 12 V à 35 V. La tension de sortie sera supérieure à la tension d’entrée.
La conception du convertisseur de boost est basée sur la puce du contrôleur UC3844 de Texas Instrument en mode courant PWM.

Dans notre cas la tension d’entrée étant de 12 V (rail 2, 12 V de l’ATX) nous pourrons « booster » la tension de sortie de 12 V à 35 V

Implantation des éléments

La place est restreinte. C’est un peu le fouillis, mais tout rentre parfaitement dans le boitier de 280x170x90 mm. Suivant le bloc d’alimentation utilisé, la hauteur peut varier légèrement, donc à adapter suivant l’alimentation ATX choisie. On voit les trois afficheurs (prises blanches en haut), l’alimentation et ses radiateurs à gauche, les deux modules Step-up et Step-down à droite. Le module de filtrage secteur retiré de l’alimentation ATX en bas à gauche. Il faut juste veiller à laisser l’air circuler le mieux possible (les deux ventilateurs sont placés à l’arrière, un au niveau des deux radiateurs en aluminium du bloc d’alimentation et le second au centre du boitier). Le module Soft-switch (voir plus loin) est soudé directement sur le bouton de mise en route, en haut à droite.

Sur la photo, on ne voit pas les portes fusibles à l’arrière, car ils ont été ajoutés plus tard.

Le module Soft-switch

Un interrupteur momentané qui se verrouille ? Comme sur les PC, une telle fonctionnalité est possible. Il serait tentant d’utiliser un interrupteur qui commuterait en permanence le fil vert PS_ON du bloc ATX à la masse, mais en cas de problème (court-circuit) l’alimentation ne s’arrêterait pas ! On imagine la suite… J’ai trouvé sur Internet différents schémas* que j’ai modifié un peu afin que le montage tienne le moins de place possible dans un boitier qui est déjà bien encombré. Le module Soft-switch est soudé directement sur l’interrupteur poussoir. Connecté à une alimentation ATX, il permet d’activer le bloc d’alimentation simplement en appuyant sur un bouton. Si malencontreusement, il survient un court-circuit sur une des sorties de l’alimentation, le module Soft-switch coupe instantanément l’alimentation.

*Liens vers les sources : instructables.com, smallbulb.net et sound-au.com

Remarque : Lors du premier démarrage, connectez l’alimentation au secteur. Si celle-ci démarre immédiatement sans appuyer sur le bouton, vous devrez augmenter la valeur de C1.

Liste des composants :

• U1 : NE555D
• R1 : 33KΩ
• R2 : 27KΩ
• R3 : 10KΩ
• C1 C4 : 100nF 50V
• C2 : 1µF 16V
• C3 : 4.7µF 16V
• Q1 : 2N7002

*Les composants CMS sont du type 1812 (3.02mm x 2.0mm)

Vue 3D, schéma et PCB réalisés sous Kicad

La version d’origine était quelque peu différente (photo). La carte mesure 65mm x 28mm et ne comporte désormais que des composants CMS.

Découpe & perçage du boitier

Tracé réalisé à l’aide du logiciel FrontDesigner (disponible pour Windows, Mac et Linux). Vous pouvez télécharger le logiciel qui est gratuit afin d’utiliser le fichier que je mets en téléchargement ci-dessous comme gabarit de découpe. Vous pouvez également faire graver la face avant directement sur le site Shaeffer AG. Dans de l’aluminium anodisé noir de 2 mm, sérigraphie blanche, le coût final (perçage, sérigraphie, découpe, expédition) est d’environ 70 €. Le rendu est vraiment professionnel.

Le fichier PDF en téléchargement contient les dimensions des perçages et des découpes afin de pouvoir réaliser la face avant et arrière. Les dimensions correspondent bien sûr au boitier en description, soit 280x170x90 mm (les faces AV et AR font 268 mm x 69 mm en 2 mm d’épaisseur)

Voilà, c’est terminé pour l’alimentation de laboratoire. Maintenant : Do It Yourself ! (Faites le vous-même)