Alimentation à découpage simple pour ampli

Le typon d'une alimentation à découpage prête à l'emploi, les mesures de puissance absorbées active et apparente, la réalisation et le schéma d'une alimentation à découpage de grande puissance sont présentés dans cet article, avec détails et astuces de montage.

Alimentation à découpage pour ampli audio : le schéma

Voici la dernière version de schéma de cette alimentation à découpage pour ampli audio. La nouveauté repose sur un circuit intégré (le IRS2153D de International Rectifier) qui pilote les deux transistors Mosfet pour le découpage en demi-pont. Pour le reste, le schéma de cette alimentation est classique et figure déjà dans de nombreux articles sur Astuces Pratiques.

Le schéma de cette alimentation à découpage figure ci dessous. La sortie fournit une tension symétrique +/-56V :

Schéma de l'alimentation à découpage pour ampli audio +/-56V : utiliser le IRS2153D au lieu du IR2153D

Typon du circuit imprimé de l'alimentation à découpage

Le circuit imprimé est réalisé en simple face, avec le logiciel simple et bien connu : Paint ! Voici le typon, pixel à pixel, en cours d'élaboration. L'avantage est que le pixel est l'unité de base, ce qui permet de garantir une largeur constante des pistes et des espaces entre les pistes !

Typon en cours de réalisation sous Paint (ici, Paint XP)

Une fois le typon réalisé, agrandi pour être facilement et bien imprimé sur papier calque, :

Typon de l'alimentation à découpage d'ampli audio

Si vous souhaitez réaliser cette carte d'alimentation vous pouvez imprimer l'image à l'envers. Elle est présentée ci dessous :

Typon de l'alimentation à découpage : à imprimer

Lorsque vous imprimez cette image, le typon doit mesurer 9 x 10cm. Il faut placer le calque à l'envers sur le circuit imprimé, de telle sorte que l'encre soit du côté du circuit imprimé. C'est une astuce pour obtenir une meilleure précision de gravure. Cela évite les zones d'ombre qui entraineraient un léger flou (incertitude sur la largeur des pistes et des espaces entre les pistes).

Le circuit imprimé est réalisé en simple face.

On voit ci dessus la partie redressement et relais de temporisation. Les 2 résistances vertes sont en parallèle pour supporter davantage de puissance lors de la mise sous tension.

Montage des transistors Mosfet du découpage

L'alimentation à découpage utilise une structure en demi-pont basé sur les 2 transistors Mosfet Q1 et Q2 (20A 650V). Il faut choisir des transistors qui font minimum 10A et 400V. Il n'est pas possible d'utiliser des transistors bipolaires à cause du courant de base nécessaire.

Le radiateur est au potentiel +320V qui correspond au drain de Q1 (le transistor d'en haut "high side"). Le transistor Q2 doit être isolé par une rondelle est un isolant silicone. Son drain est le point "chaud" du demi-pont.

Transistor Mosfet 20N60C3 et contrôleur demi-pont IR2153D

En cours de montage des transistors sur le radiateur :

Le transistor de droite (Q2) est isolé avec un isolant silicone et une rondelle sur la vis.

Transistors Q1 et Q2 de l'alimentation à découpage

Le IR2153D est monté sur support de boitier DIP8. Il peut être soudé directement sur le circuit imprimé.

Détail sur les transistors Mosfet Q1 et Q2 et le IR2153D

Les transistors sont fixés au Une fois les composants montés, il ressemble à ceci :

L'alimentation à découpage, vue de haut, figure ci dessous :

Alimentation à découpage pour ampli audio : vue de dessus

Entrée de l'alimentation : pont de diodes, relais

La résistance sur le côté vaut 22k 1/4W (R3). Une résistance 1206 ou minimelf aurait aussi fait l'affaire.

Détail sur la partie entrée d'alimentation

Voici le détail sur la commande des transistors Mosfet Q1 et Q2 et du circuit intégré IRS2153D :

IRS2153D, transistors et composants externes

L'ensemble de la partie primaire de l'alimentation à découpage :

Alimentation à découpage : typon du primaire

Pour réduire d'éventuelles conductions de parasites en provenance de l'alimentation vers le reste de l'ampli et ce qui y sera branché, un condensateur 2.2nF 250VAC (type Y) est monté entre l'entrée secteur (phase ou neutre) et la masse de la sortie :

Capa Y 2.2nF 250VAC entre secteur et masse de la sortie

Ce condensateur atténue fortement les résidus de la fréquence de découpage dans la tension de sortie. En effet, en haute fréquence, il fixe la sortie au potentiel stable du secteur. On pourrait ajouter un filtre secteur basé sur une inductance de mode commun et un ou deux condensateurs type X (100nF 250VAC). Sur ce prototype, la simplicité a poussé à ne pas ajouter ces composants.

Côté secondaire, 2 diodes MUR420 en parallèle redressent en simple alternance la tension carrée aux bornes du transformateur. L'amplitude est d'environ 56V, c'est-à-dire 112V crête à crête :

Secondaire de l'alimentation à découpage

L'isolation électrique doit faire au moins 6mm de vide (pas de pistes en cuivre) pour garantir une sécurité électrique suffisante. Cela ne vous coûte rien, à part un peu de place sur le circuit imprimé. Il suffit d'isoler le réseau 230V, mais il se peut que des impacts de foudre ou des surtensions aient lieu par rapport à la terre. C'est là que cette distance devient utile si, par hasard, cela se produit lorsque vous touchez l'ampli (secondaire de l'alimentation).

La diode de redressement pour le +15V aurait pu être une diode US1D ou ES1B ultra fast 100V 1A. Ici, une MUR420 a été montée.

Alimentation à découpage pour ampli : tests

Cette alimentation à découpage pour ampli audio est utilisée idéalement pour alimenter un ampli audio. Il faut éviter de consommer un fort courant uniquement sur une seule sortie (+56V ou -56V seulement) sans consommer sur l'autre, sinon la sortie non utilisée voit sa tension grimper à 80V et plus ! L'utilisation avec un ampli audio évite ce type de problème, même si la charge (haut-parleur) est utilisé avec un signal très basse fréquence (30Hz) à puissance maximum. L'ondulation de la tension de sortie n'est que de quelques Volts.

La tension de sortie +15V permet de brancher un ventilateur et toute autre partie électronique (vumètre audio à LED, préampli, etc).

Puissance et rendement de l'alimentation

L'alimentation à découpage est chargée par une résistance de 8 Ohms entre le +56V et le -56V. Le test est fait pendant 5 secondes. Aucun échauffement anormal n'a lieu :

Alimentation à découpage pour ampli audio et charge 8 Ohms branchée entre +56 V et -56 V

On note ces résultats de test :

Alimentation à vide :

• Tension de sortie à vide entre +56 V et -56 V : 113 V
• Tension secteur : 234,3 V
• Puissance active P : 0,01 kW
• Puissance apparente S : 0,02 kVA
• Facteur de puissance : 0,39

Le pont de diodes et les condensateurs entraînent des pointes de courant qui génèrent de la puissance déformante, ce qui explique le facteur de puissance faible.

Alimentation à pleine charge (8 Ohms) sur les sorties

• Tension de sortie à vide entre +56 V et -56 V : 86 V (920 W !)
• Tension secteur : 229,5 V
• Puissance active P : 1,12 kW
• Puissance apparente S : 1,66 kVA
• Facteur de puissance : 0,66
• Courant efficace absorbé : 7,27 A

Le rendement de l'alimentation atteint 82 % (920 W / 1120 W) en tenant compte de la puissance active. La puissance apparente est due à l'allure du courant consommé par l'alimentation .

En pratique avec un ampli audio, même poussé à fond, le courant absorbé est bien inférieur. L'alimentation est tout à fait adaptée pour réaliser un ampli de 2 x 300 W efficaces à 4 Ohms.