Alimentation à découpage ampli : schéma

Voici un schéma d'alimentation à découpage très simple avec IRS2153D pour ampli audio de grande puissance, jusqu'à 500 Watts efficaces. Cette alimentation remplace le gros transfo et les gros condensateurs de filtrage qu'on trouve dans les alimentations pour amplis audio (hifi et sono). Voici le schéma et les explications détaillées pour les électronicien(ne)s passionné(e)s.

Attention : ce montage est destiné à fonctionner directement sur le secteur ! La tension secteur est dangereuse !

Schéma de l'alimentation à découpage pour ampli avec IRS2153D

On peut tout d'abord présenter le schéma de cette alimentation ultra simple, ultra légère et ultra compacte :

Alimentation à découpage ampli 200W à 500W : schéma avec IRS2153D

Note : le schéma présente un IRS2153 mais il est préférable d'utiliser un IRS2153D.

Le schéma a été simplifié au maximum pour garantir la plus grande facilité de réalisation.

Redressement du secteur

La tension secteur est redressée par un pont de diodes standard. Un fusible 4A 250V protège votre installation électrique en cas de court-circuit ou de défaillance de l'alimentation. Ce pont de diodes peut être récupéré dans la plupart des alimentations ATX pour PC fixes. Il doit supporter au moins 4A et 600V pour avoir une marge suffisante. Il n'a pas besoin de radiateur.

Il n'y a aucun filtrage des parasites qui sont renvoyés vers le secteur (pas de filtre secteur à base d'inductance de mode commun et de condensateurs X). Cela ne gêne pas du tout le fonctionnement de l'alimentation, ni d'un ampli alimenté par cette alimentation.

Schéma de l'alimentation à découpage : schéma de l'entrée

La résistance R2 limite l'appel de courant au démarrage et aussi l'effort transitoire pour les Mosfet Q1 et Q2 qui voient un quasi court-circuit lorsque les condensateurs de sortie C7 et C8 sont encore vides. Il est donc vivement conseillé de mettre R2 et le relais qui la court-circuite après une demie seconde environ, ou même un peu moins. R2 peut avoir une valeur autour de 100 Ohms, mais 47 Ohms ou 68 Ohms feront très bien l'affaire.

Le relais doit être initialement ouvert : il doit être branché sur ses contacts "NO" (normally open). Au multimètre, il ne doit pas y avoir continuité entre les contacts utilisés ici. Le relais doit être un 48V : en effet, comme le courant qui alimente sa bobine est limité en fonctionnement à 10mA environ (c'est R6 qui limite), il faut choisir un relais 48V. Sa résistance de bobine se situe autour de 5 à 6 kOhms. Un relais 24V a besoin d'un courant double pour avoir 24V sur sa bobine. La résistance R3 doit être ajustée pour avoir entre 40V et 50V sur la bobine du relais en fonctionnement. Attention, vous ferez cette mesure sous tension !

Exemples de relais 48V à utiliser

Certains modèles de petits relais peuvent fonctionner en 24V parce que la bobine de ces petits relais consomme moins de courant (10mA environ). R3 n'est donc là que pour garantir la bonne tension sur la bobine. Plus R3 est faible, plus la tension sur la bobine sera faible. Il faut au moins 80% de la tension nominale pour garantir un bon contact du relais. Si vous n'avez que 35V sur la bobine d'un relais 48V, ce n'est pas bon (dans ce cas, augmenter R3 à 15k, 22k, etc).

La tension continue aux bornes de C2 et C3 part de zéro et monte vite (charge à travers R2). Dès que cette tension est suffisante pour que le courant qui traverse R6 soit suffisant pour faire basculer le relais, R2 est court-circuitée. Le relais doit commuter après moins d'une seconde et R2 ne doit pas chauffer du tout. Si tel n'est pas le cas, vérifiez l'alimentation.

R4 et R5 équilibrent les tensions sur C2 et C3. On peut choisir toute valeur entre 150 et 470kOhms. C'est un montage classique pour une alimentation à découpage en demi-pont. La plupart des alimentations ATX utilisent ce type de structure. Vous l'aurez compris, cette alimentation est inspirée des alimentations ATX ! Pour limiter l'ondulation, il faut choisir 470uF minimum. La tension aux bornes de C2, ainsi que celle aux bornes de C3 doit se situer autour de 160V. Entre le + et le - du pont, il y a 320V environ. Attention : vous ferez encore cette mesure sous tension !

R6 voit environ 250V à ses bornes et dissipe environ 3 Watts et sa température monte à une température entre 80 et 100°C environ. Si cela vous gêne, vous pouvez mettre deux résistances 10k 10Watts en série. On peut aussi ajouter une LED (ou deux, ou trois...) en série avec R6 pour visualiser la tension. Les quelques Volts de chute de tension aux bornes des LED sont négligeables par rapport aux 250V sur R6. Attention au sens de la LED ou des LEDs bien sur ! Si vous souhaitez réduire la dissipation en augmentant sa valeur (27k par exemple), le IRS2153 ne sera plus suffisamment alimenté dès que la tension d'alimentation chute un peu (secteur à 200-210V...). R6 doit se situer entre 15k et 24k pour faire un bon compromis entre puissance dissipée et marge sur la tension d'entrée secteur.

R2 et R6 sont dessinées en jaune pour indiquer qu'il s'agit de résistances de puissance.

Alimentation à découpage : commande par IRS2153D

L'essentiel de l'alimentation à découpage tient dans les 2 transistors et la commande faite par un IRS2153D. Le IRS2153D est un circuit de commande dédié aux demi-ponts. Il contient un oscillateur interne dont on règle la fréquence par RT et CT. Ici, avec 22k et 1nF, la fréquence de découpage est de 31kHz, valeur tout à fait adaptée aux transfos récupérés dans les alimentations de PC. Pour plus de détails sur le IRS2153D utilisé en alimentation de ce type :

Schéma alimentation à découpage demi pont IRS2153D

Le IRS2153 contient une diode zener interne qui limite sa tension d'alimentation à 15.3V environ. L'alimentation du IRS2153 se fait par R6 qui délivre environ 10mA. Par rapport au 0V primaire (patte 4), l'alimentation doit se situer autour de 15V (mesure à faire entre la patte 1 et la patte 4 du IRS2153).

Schéma de l'alimentation à découpage d'ampli : étage de commande avec IRS2153D

La commande des transistors Mosfet Q1 et Q2 se fait à travers un ensemble résistance et diode en parallèle. Cela allonge la mise en conduction (charge de la grille via la résistance de 100 Ohms) alors que la décharge de la grille se fait via la diode et est donc rapide. On peut choisir la diode 1N4148 ou la LL4148 (version CMS de la 1N4148). Malgré le temps mort intégré au IRS2153, ces ensembles résistances et diodes sont nécessaires pour éviter une conduction simultanée transitoire des deux transistors (shoot through).

C6 est le condensateur de bootstrap. Il faut choisir un condensateur céramique ou plastique 1uF d'au moins 25V. Vu les courants transitoires haute fréquence, il faut éviter d'utiliser un condensateur chimique.

De même pour C5 qui sert de découplage d'alimentation du IRS2153. C5 doit être placé au plus près du IRS2153.

Si vous souhaitez absolument éviter le IRS2153 pour piloter l'alimentation à découpage, vous pouvez aussi astucieusement utiliser une inductance de mode commun en guise de transfo d'impulsion pour piloter les transistors mosfet. Cette astuce permet de ne pas utiliser un circuit intégré un peu spécifique. Voici le schéma déjà bien éprouvé :

Alimentation à découpage pour ampli audio

Transistors de l'alimentation à découpage

Les transistors Q1 et Q2 assurent le découpage de la tension. Il faut au moins choisir des transistors 400V et 10A. Ici, les 20N60C3 font 659V et 20,7A, ce qui assure une marge suffisante, ainsi qu'un échauffement limité grâce au faible Rdson. Leurs conductions respectives est assurée en opposition de phase (tantôt l'un, tantôt l'autre) par le IRS2153. Ils doivent être montés sur un radiateur et être isolés entre eux par rondelle et isolant silicone ou mica et pâte thermoconductrice. On peut relier le radiateur sur le drain (boitier) de Q1 comme ce potentiel est stable. Le drain de Q2 est, quant à lui, sur le point chaud, seul Q2 est isolé. Le radiateur doit mesurer environ 5 x 5 cm.

Condensateur en série avec le primaire du transfo

C4 est un condensateur 1uF 250V non polarisé. Il assure la survie de C2 ou C3 en cas de défaillance d'un transistor. D'ailleurs, si le rapport cyclique n'était pas de 50%, il apparaitrait aussi une tension aux bornes de C4. La tension moyenne aux bornes du primaire de T1 (et de son secondaire aussi !) est toujours nulle. La tension sur le point froid du primaire (entre T1 et C4) n'est donc rien d'autre que la tension moyenne à la sortie de Q1 et Q2 (point chaud du primaire). Comme le rapport cyclique est de 50% et que la tension est équilibrée sur C2 et C3, la tension aux bornes de C4 est faible (+/-10V maximum mesurés au voltmètre en position DC).

Exemple de condensateur 1uF 250V.

C4 joue aussi un rôle dans la commutation des transistors Q1 et Q2 en influençant un peu l'allure de la tension sur le primaire du transfo. Il faut choisir au moins 1uF et 250V.

Alimentation à découpage pour ampli : mesures (1)

Et au sujet de C4 en particulier :

Alimentation à découpage pour ampli : mesures (2)

Au sujet du transformateur :

Transformateur d'alimentation à découpage

Le transformateur est spécifique pour une alimentation à découpage en demi-pont. On a tout intérêt à le démonter d'une alimentation de PC ATX grillée ou dont on n'a plus usage. Certains passionnés pourront défaire le bobinage secondaire du transfo et le refaire entièrement. C'est une question de 10 à 20 spires maximum... donc faisable dans un temps raisonnable. L'inductance primaire se situe autour de 2mH à 5mH environ.

Côté secondaire, on peut choisir de s'adapter à un transfo d'alimentation ATX récupéré. Dans ce cas, il faudra brancher la masse et les diodes sur les bonnes bornes du transfo, en fonction de la tension souhaitée. On peut obtenir sur de nombreux transfos +/-28V, +/-40V et +/-56V environ (il s'agit d'un secondaire à 7 spires, 10 spires et 14 spires).

Transfo d'alimentation ATX rebobiné à la main pour arriver à la bonne tension de sortie

Si cela vous intéresse, vous pouvez jeter un oeil sur un article plus détaillé :

Transformateur d'alimentation à découpage ATX

La tension secondaire est redressée avec des diodes ultra rapides. Le redressement est en fait un doubleur de tension où on redresse le demi créneau positif et le demi créneau négatif. Pour éviter le montage sur radiateur (plus fastidieux), on peut se contenter de mettre 2 MUR420 en parallèle montées à 1cm l'une de l'autre. Elles se répartissent le courant assez bien vu le couplage thermique assez bon. On peut remplacer ces ensembles de 2 MUR420 par une seule MUR1520 montée sur radiateur (une plaque de 3 x 3cm suffit).

C7 et C8 sont des condensateurs chimiques qui lissent la tension de sortie. Il faut choisir 2200uF minimum si on souhaite éviter d'avoir accidentellement une tension qui monterait bien au delà de la tension nominale. Cela arrive lorsque les charges inductives (haut-parleur) renvoient de l'énergie dans l'alimentation. C'est le phénomène de bus pumping, tout spécialement susceptible de se produire avec les amplis de classe D.

Si l'alimentation à découpage n'est reliée à rien, C7 et C8 resteront chargés longtemps. On peut ajouter une résistance en parallèle avec C7 et C8 pour assurer une décharge (choisir entre 47k et 470k par exemple).

On peut aussi ajouter en série avec les sorties des fusibles de 6.3A ou 8A ainsi que des LED en série avec une résistance pour indiquer les tensions de sortie. La résistance série pourra être entre 22k et 100k.

Et voilà, la tension de sortie symétrique permet d'alimenter votre ampli !

Régulation de la tension de sortie de l'alimentation à découpage

Cette alimentation à découpage ne présente aucune régulation de la tension de sortie. Elle se comporte comme une alimentation à transformateur classique 50Hz et gros condensateurs. Cela permet la plus grande simplicité (pas de boucle de contre réaction basée sur une référence de tension à diode zener ou TL431 et opto coupleur). A pleine charge, la tension chute de 10 à 20%, ce qui est tout à fait acceptable.

Réalisations d'alimentations à découpage pour ampli

Certains prototypes ont déjà été réaslisés, vous pouvez voir un exemple ci dessous :

Réalisation d'alimentation à découpage pour ampli