Alimenté avec une tension continue de 12 volts fournie par une batterie,
ce convertisseur nous permettra de prélever sur sa sortie une tension
alternative de 220 volts 50 hertz. Cette tension pourra être utilisée
pour alimenter un ordinateur, un téléviseur ou n’importe quel appareil
électrique dont la puissance ne sera pas supérieure à 160 watts.
Vous vous demandez probablement à quoi sert un convertisseur en mesure de transformer une tension continue de 12 volts en une tension alternative de 220 volts.
Le premier exemple qui vient à l’esprit concerne l’utilisateur d’une caravane ou d’un camping-car qui pourra s’installer où bon lui semblera, même en dehors des zones aménagées pour le stationnement. En effet, à partir d’une batterie 12 volts, il pourra alimenter n’importe quel petit appareil ménager conçu pour une tension de 220 volts.
Ceux qui utilisent des panneaux solaires pour recharger des batteries de 12 volts, pourront convertir cette tension en une tension alternative de 220 volts, qu’ils pourront ensuite utiliser pour alimenter un éclairage, un téléviseur ou encore un émetteur de moyenne puissance.
Ceux qui utilisent couramment un ordinateur, savent que si la tension du secteur vient à manquer, même pour quelques secondes, tous les fichiers sur lesquels ils travaillent seront perdus. L’utilisation de ce convertisseur, permet à l’ordinateur de rester allumé, même si la tension secteur venait à disparaître, ce qui permet de poursuivre son travail en toute quiétude.
Ce ne sont que quelques exemples de l’utilisation possible de ce convertisseur. Nous sommes certains que vous avez déjà en tête l’application dans laquelle vous voudrez l’utiliser.
Dissertation terminologique !
Nous aurions pu appeler ce convertisseur “onduleur”. En effet, la mission qui lui est confiée est bien de créer une “onde” à partir d’une tension continue. Néanmoins, le terme “onduleur”, dans le langage informatique, désigne un appareil qui, partant du secteur 220 volts, fournit une tension de remplacement équivalente durant les coupures de courant.
Dans ce sens, notre convertisseur n’est pas un onduleur à part entière car il n’intègre pas les parties “batterie” et “chargeur de batterie”. D’un autre côté, il est beaucoup plus qu’un onduleur, car sa sortie est stabilisée en tension et en fréquence, ce qui n’est pas le cas de la majorité des onduleurs du commerce !
En fait, pour transformer notre convertisseur en onduleur de haute qualité, il suffit de lui adjoindre l’indispensable batterie et un chargeur idoine !
Entrons dans le vif du sujet
A la sortie de ce convertisseur, on trouve une onde carrée de forme particulière (voir figure 1) d’une fréquence de 50 Hz. Ceux qui pensent que cette forme d’onde n’est pas idéale pour alimenter des circuits conçus pour une tension sinusoïdale, sont dans l’erreur et nous allons le démontrer !
Une onde carrée de ce type peut tranquillement être utilisée pour alimenter une radio, un ordinateur, un téléviseur, etc. Pourquoi ? Simplement parce que, comme chacun sait, qu’elle que soit la forme de la tension alternative appliquée au primaire d’un transformateur, elle sera récupérée sur son secondaire pour être convertie en une tension continue par des diodes ou un pont redresseur pour être ensuite filtrée et régulée avant utilisation dans les différents circuits !
Pour preuve, si vous avez la possibilité de contrôler un onduleur du commerce, vendu pour alimenter les ordinateurs, vous noterez, lorsque le secteur vient à manquer, que celui-ci génère une onde carrée qui, de plus, n’est stabilisée qu’en tension mais pas en fréquence !
De notre convertisseur par contre, sort une onde carrée, stabilisée aussi bien en tension, qu’en fréquence.
Précisons que ce convertisseur peut également être utilisé pour alimenter un ventilateur ou un quelconque petit appareil domestique, pourvu qu’il ne consomme pas plus de 160 watts.
En observant, sur la figure 1, la forme d’onde qui sort de ce convertisseur, on s’aperçoit immédiatement que la demi-onde positive est séparée de la demi-onde négative et vice-versa, par une pause de 2,5 millisecondes.
Comme la durée de la demi-onde positive et celle de la demi-onde négative sont de 7,5 millisecondes, en additionnant à celles-ci les temps de pause, on obtient un cycle complet tous les :
7,5 + 2,5 + 7,5 + 2,5 = 20 millisecondes.
Ce qui correspond à une fréquence exacte de :
(1 : 20) x 1 000 = 50 hertz.
Le rendement de ce convertisseur tourne aux alentours des 80 %. De ce fait, si, sur sa sortie, nous relions une charge 60 watts, le convertisseur consommera 72 watts sur la batterie.
Si la charge est de 100 watts, il consommera 120 watts et si nous relions une charge de 150 watts, il consommera 180 watts.
Avec une consommation de 72 watts, le convertisseur demandera à la batterie :
72 : 12 = 6 ampères environ.
Avec une consommation de 120 watts, le convertisseur consommera sur la batterie :
120 : 12 = 10 ampères environ.
Avec une consommation de 180 watts, le convertisseur tirera de la batterie :
180 : 12 = 15 ampères environ.
Il faut souligner, que plus la tension de la batterie baisse, plus la consommation du convertisseur augmente pour obtenir en sortie une tension de 220 volts stabilisés.
Si nous alimentons le convertisseur avec une batterie de 60 Ah et que nous consommons environ 6 ampères, la batterie sera déchargée au bout de 10 heures environ.
Si, par contre, nous consommons 10 ampères, elle sera vide en 6 heures et, si la consommation passe à 15 ampères, elle sera vide au bout de 4 heures seulement.
Figure
1: La demi-onde positive est séparée de la demi-onde négative et
vice-versa, par une pause de 2,5 millisecondes. Cette pause est
indispensable pour permettre à chaque paire de MOSFET de s’ouvrir avant
que la paire opposée ne se ferme.
Sans cette pause, les quatre MOSFET conduiraient simultanément durant quelques millisecondes et cela provoquerait un court-circuit.
Figure
2 : Sur la photo de début d’article, vous pouvez voir le panneau avant
du coffret du convertisseur. Sur cette photo, vous pouvez voir la
partie arrière, où sont fixés, la prise de sortie 220 volts, les deux
douilles d’entrée 12 volts et le porte-fusible.
Schéma électrique
En regardant le schéma électrique de la figure 3, on peut noter que ce convertisseur est composé de deux étages distincts.
Le premier étage, formé par le circuit intégré UC3646 (voir IC1) et de quatre MOSFET de puissance référencés IRFP150 (voir MFT1 à MFT4), est utilisé pour obtenir une tension continue stabilisée de 294 volts.
Quant au second étage, qui utilise quatre MOSFET de puissance référencés 2SK2150 (voir MFT5 à MFT8), il est utilisé pour convertir la tension continue fournie par le premier étage, en une tension alternative de 220 volts - 50 Hz.
A première vue, le schéma peut sembler complexe et peu compréhensible, mais si vous suivez notre description, vous découvrirez qu’en plus d’être simple, il est aussi très instructif, parce que, finalement, il vous permettra de comprendre le fonctionnement d’un convertisseur continu/alternatif.
Figure 3 : Schéma électrique du convertisseur 12 Vcc / 220 Vac.
Rôle de IC1
Commençons la description par le circuit intégré IC1 (UC3846), qui permet de piloter en PWM (Pulse Width Modulation) – en français, MLI (Modulation à Largeur d’Impulsions) – les paires de MOSFET de puissance MFT1-MFT2 et MFT3-MFT4 qui se trouvent connectés sur ses broches de sortie 14 et 11.
Comme de la broche 11 sort une onde carrée déphasée de 180° par rapport à celle issue de la broche 14, les deux paires de MOSFET de puissance se comportent comme des interrupteurs, qui se ferment et qui s’ouvrent en opposition de phase.
Lorsque la paire de MOSFET MFT1-MFT2 est en conduction, la paire MFT3-MFT4 est bloquée et lorsque c’est la paire MFT3-MFT4 qui est conductrice, la paire MFT1-MFT2 est à son tour bloquée.
De l’enroulement secondaire de T1, qui a un nombre de spires supérieur par rapport à l’enroulement primaire, on prélève une tension crête d’environ 350 volts. Tension qui est redressée par les diodes DS5-DS6 et DS7-DS8 puis filtrée par le condensateur électrolytique C15.
Notez, que la prise centrale du secondaire du transformateur T1, n’est pas connectée à la masse, mais aux diodes DS3 et DS4 reliées aux drains des transistors MOSFET MFT1-MFT2 et MFT3-MFT4.
Ces diodes, redressant les pics de tension, fournissent une tension continue, laquelle, ajoutée à la tension déjà redressée par les diodes DS5-DS6 et DS7-DS8, nous permet d’augmenter le rendement du convertisseur.
A titre d’information, sachez que ce transformateur, équipé d’un noyau en ferrite, a un primaire composé de 10 spires, avec une prise centrale et un enroulement secondaire composé de 400 spires, toujours avec une prise centrale.
Le circuit intégré IC1 permet de stabiliser la tension continue sur 294 volts, même si la tension de la batterie descend à des valeurs inférieures à 12 volts et cela, même si la consommation de la charge varie en sortie.
De ce fait, nous prélèverons toujours à la sortie de ce convertisseur, une tension alternative stabilisée de 220 volts.
La fréquence de l’onde carrée qui sort des broches 11 et 14 d’IC1 est d’environ 30 kilohertz et cette valeur s’obtient en appliquant entre la broche 8 et la masse, un condensateur de 3 900 pF (voir figure 6) et entre la broche 9 et la masse, une résistance de 10 kilohms (voir R8).
C’est la broche 6 d’IC1, qui se charge de stabiliser la tension requise de 294 volts sur le condensateur C15.
Cette broche est en fait connectée, à travers un diviseur de tension composé des trois résistances R1, R9 et R10, à la tension déjà redressée et filtrée présente sur le condensateur électrolytique C15. Cette tension sera ensuite comparée avec une tension de référence interne au circuit intégré IC1.
Si la tension de sortie devait augmenter au-delà des 294 volts requis, le circuit intégré IC1, diminuera immédiatement le rapport cyclique de l’onde carré qui pilote les quatre MOSFET MFT1-MFT2 et MFT3-MFT4 et, automatiquement, la tension redescendra sur la valeur requise.
Si la tension de sortie devait descendre sous les 294 volts, parce que la batterie est en état de décharge, le circuit intégré IC1, augmente le rapport cyclique de l’onde carré et automatiquement la tension remontera sur la valeur requise.
Dans cet étage, la valeur de la résistance R9 est critique, parce que c’est elle qui détermine la valeur de la tension que l’on veut prélever de la sortie du convertisseur CC/CC.
Figure 4 : Brochages, vus de dessus, des circuits intégrés utilisés dans cette réalisation.
Les brochages des transistors et du régulateur 78L05 sont vus de dessous et ceux des MOSFET, de face.
Transformation du continu en alternatif
Après avoir expliqué que cet étage est uniquement utilisé pour obtenir une tension continue de 294 volts, nous pouvons passer à la description du second étage, qui permet de convertir cette tension continue en une tension alternative de 220 volts, avec une fréquence exacte de 50 hertz.
Le circuit intégré IC3, un simple intégré CMOS 4060, est utilisé dans ce circuit comme étage oscillateur et diviseur par 128. Un quartz de 3,2768 MHz ayant été placé entre les broches 10 et 11 de IC3, sur la broche 6, nous retrouvons un signal carré d’une fréquence de :
3276 800: 128 = 25 600 hertz.
Cette fréquence atteint la broche 10 d’un second circuit intégré CMOS 4040, qui permet de diviser la fréquence de 25 600 Hz par 512 fois. Ainsi, de la broche de sortie 12, sort un signal carré avec une fréquence de :
25 600: 512 = 50 hertz
Cette fréquence de 50 Hz est appliquée sur la broche CK (broche 3) du premier flip-flop D référencé IC4/A.
La sortie QA (broche 1), est utilisée pour piloter le MOSFET MFT5, par l’intermédiaire du circuit intégré IC5, par contre, la sortie QB (broche 2), est utilisée pour piloter le MOSFET MFT8, par l’intermédiaire du transistor TR4.
La même fréquence de 50 hertz est également appliquée sur la broche CK (broche 11) du second flip-flop de type D, référencé IC4/B, mais déphasée de 180° par le transistor TR2.
La sortie QA (broche 13), est utilisée pour piloter le MOSFET MFT6, par l’intermédiaire du circuit intégré IC6. Par contre, la sortie QB (broche 12), est utilisée pour piloter le MOSFET MFT7, par l’intermédiaire du transistor TR3.
Pour vous faire comprendre comment ces quatre MOSFET parviennent à convertir une tension continue en une tension alternative de 220 volts, sur la figure 5, nous les avons dessinés en montage en pont.
Lorsque sur l’entrée CK du flip-flop IC4/A arrive le front montant de l’onde carrée à 50 Hz, la sortie QA commute au niveau logique 1. Par contre, la sortie opposée QB commute au niveau logique 0.
Comme sur l’entrée CK du second flip-flop IC4/B, parvient un signal carré déphasé de 180°, ses deux sorties commutent sur un niveau logique inverse par rapport au premier flip-flop. Ainsi, la sortie QA commute au niveau logique 0 et la sortie opposée QB, commute au niveau logique 1.
Lorsque sur la broche de sortie QA du flip-flop IC4/A est présent un niveau logique 1, seul devient conducteur le MOSFET MFT5 et non le MFT8, parce que sur la sortie opposée QB, se trouve un niveau logique 0 (voir figure 5).
Sur la broche de sortie QA du second flip-flop IC4/B est présent un niveau logique 0. Ainsi, il ne permet pas au MOSFET MFT6 de conduire mais, par contre, le MOSFET MFT7 devient conducteur car, sur la sortie opposée QB, est présent un niveau logique 1.
Figure
5: Pour vous faire comprendre comment les MOSFET parviennent à
convertir une tension continue en une tension alternative, vous devez
les imaginer comme s’ils étaient reliés en pont. Comme nous l’avons
expliqué dans le texte, les Gates sont pilotées par les sorties QA et QB
des deux flip-flop IC4/A et IC4/B.
Commutation des 4 MOSFET
Si vous regardez le dessin de la figure 6, il sera beaucoup plus facile de comprendre comment se commutent les quatre MOSFET que, par souci de simplification, nous avons représentés comme de simples interrupteurs.
Cycle 1 - Les MOSFET MFT5-MFT7 sont fermés et, de ce fait, nous prélevons une demi-onde positive, d’une durée de 7,5 millisecondes, sur leurs sorties.
Cycle 2 - Les MOSFET MFT5-MFT7 s’ouvrent et demeurent dans cette situation durant un temps de pause de 2,5 millisecondes.
Cycle 3 - Les MOSFET MFT6-MFT8 se ferment et, dès lors, on peut prélever une demi-onde négative d’une durée de 7,5 millisecondes, sur leurs sorties.
Cycle 4 - Les MOSFET MFT6-MFT8 s’ouvrent et demeurent dans cette situation durant un temps de 2,5 millisecondes.
Passé ce temps de pause de 2,5 millisecondes, les quatre cycles visibles sur la figure 6, se répètent de nouveau et ainsi de suite, à l’infini.
Sur la droite de la figure 6, vous pouvez voir les niveaux logiques 1-0 qui parviennent sur les Gates des quatre MOSFET de puissance et la forme de l’onde alternative que nous prélevons sur les bornes de sortie de ce convertisseur.
Le temps de pause de 2,5 millisecondes, entre les deux demi-ondes, est obtenu en appliquant sur les broches de reset des deux flip-flop IC4/A-IC4B, une fréquence de 100 hertz, que nous prélevons des diodes DS9 et DS10 connectées sur les broches 13 et 4 du circuit intégré IC2.
Il faut signaler, que ces 2,5 millisecondes de pause, sont indispensables, pour permettre à chaque paire de MOSFET de s’ouvrir avant que la paire opposée ne se ferme. Sans cette pause, les quatre MOSFET conduiraient simultanément durant quelques millisecondes et cela provoquerait un courtcircuit.
Certains pourraient se demander comment on parvient à obtenir en sortie une tension alternative stabilisée sur la valeur de 220 volts, en utilisant une tension continue de 294 volts.
Comme on peut le voir sur la figure 1, pour un cycle complet d’une durée de 20 millisecondes, les deux demi-ondes positive et négative demeurent actives, pour une durée de 7,5 + 7,5 = 15 millisecondes et en pause, durant un temps de 2,5 + 2,5 = 5 millisecondes.
Les deux demi-ondes étant actives durant 15 millisecondes et en pause durant 5 millisecondes, un cycle complet aura donc une durée de 20 millisecondes et, pour calculer la tension alternative que nous prélevons en sortie, nous pouvons utiliser cette formule:
Vac = Vcc : (temps total : temps actif)
Ainsi, comme vous pouvez vous-même le constater, d’une tension continue de 294 volts, on parvient à prélever, en sortie, une tension alternative de :
294: (20 : 15) = 220,5 Vac
Figure 6: Lorsque sur la sortie QA du flip-flop IC4/A est présent un niveau logique 1, sur sa sortie opposée QB est présent un niveau logique 0. Comme le second flip-flop IC4/B reçoit un signal déphasé de 180°, lorsque sur sa sortie QA est présent un niveau logique 0, sur sa sortie opposée QB est présent un niveau logique 1.
Figure 6a : Au premier cycle, les deux MOSFET MFT5-MFT7 conduiront et fourniront en sortie une demi-onde positive.
Au second cycle, nous aurons une pause de 2,5 millisecondes. Les quatre MOSFET ne généreront aucune tension.
Au troisième cycle, les deux MOSFET MFT6-MFT8 conduiront et fourniront en sortie, une demi-onde négative.
Au quatrième cycle, nous aurons une pause de 2,5 millisecondes. Les quatre MOSFET ne généreront aucune tension.
Ces quatre cycles, se répétant à l’infini, nous permettent de prélever à la sortie des MOSFET, une onde carrée composée d’une demi-onde positive et d’une demi-onde négative comme cela est visible sur le dessin de la figure 6b.
Figure 6b : Génération de la tension alternative par les MOSFET
Rôle de IC5-IC6, TR3-TR4 et IC7/A-IC7/B
A ce point, nous devons vous expliquer à quoi servent les deux circuits intégrés IC5-IC6, les transistors TR3-TR4 et les deux amplificateurs opérationnels IC7/A et IC7/B.
Les transistors TR3-TR4 sont utilisés comme driver pour piloter les deux MOSFET MFT7-MFT8, car les sorties QB des deux flip-flop IC4/AIC4/B ne sont pas en mesure de fournir le courant nécessaire pour les porter en conduction.
Les circuits intégrés IC5-IC6, qui sont des circuits “half bridge driver” du type IR2111 en mesure de fournir le courant nécessaire, sont utilisés uniquement pour piloter les deux MOSFET MFT5-MFT6 et non pour piloter les deux MOSFET MFT7-MFT8.
L’explication est très simple.
En fait, si vous regardez le dessin de la figure 3, vous noterez que les sources des deux MOSFET MFT7-MFT8 sont reliées à la masse. Ainsi, pour les faire passer en conduction, il suffit d’appliquer sur leur Gate, une impulsion positive de 12 volts par rapport à la masse.
Les sources des deux MOSFET MFT5-MFT6 sont, par contre, reliées à la tension des 220 volts que nous prélevons de la sortie du convertisseur. Ainsi, pour les faire passer en conduction, nous devons appliquer sur leur Gate, une impulsion positive, qui atteindra, par rapport à la masse, une valeur de 220 + 12 = 232 volts.
En connectant les broches 6 des circuits intégrés IR2111 aux sources des deux MOSFET MFT5-MFT6, ceux-ci, feront sortir des broches 7, une impulsion positive de 12 volts supérieure par rapport à la tension présente sur leur source de 12 + 220 = 232 volts.
Les deux derniers amplificateurs opérationnels référencés IC7/A-IC7/B ont été utilisés pour protéger le convertisseur contre d’éventuelles surcharges ou contre des courts-circuits imprévus.
En fait, plus le courant consommé par le convertisseur augmente, plus la chute de tension aux bornes de la résistance R42, connectée aux deux Sources des MOSFET MFT7-MFT8, augmente.
Lorsque la consommation sur le convertisseur fait apparaître un courant de plus de 0,73 ampère aux bornes de la résistance R42, nous avons une tension supérieure à 0,33 volt et, automatiquement, sur la broche 7 de l’amplificateur opérationnel IC7/A, nous trouvons une tension d’environ 5 volts.
Cette tension, en plus de commander l’allumage de la diode LED DL1, rejoint également la broche 16 d’IC1, bloquant son fonctionnement.
IC1 ne générant plus l’onde carrée à 30 kHz que nous utilisons pour piloter les deux MOSFET MFT1-MFT2 et MFT3-MFT4, la tension de 294 volts continus, devant être convertie en tension alternative, manquera instantanément.
De ce fait, aucune tension ne sera plus présente sur les borniers de sortie.
Avec une valeur de R42 de 0,47 ohm, nous pourrons prélever de la sortie, une puissance maximale d’environ 160 watts, mais il suffit d’une petite tolérance sur la valeur ohmique de cette résistance pour que le convertisseur passe en protection sur une puissance légèrement différente, en plus ou en moins.
Figure 7 : Photo du prototype du convertisseur, avec ses deux dissipateurs en place.
Figure 8 : Schéma d’implantation des composants du convertisseur.
Les fils à utiliser pour les connexions des 12 volts, doivent avoir un diamètre égal ou supérieur à 2,5 mm.
Liste des composants
R1 = 10 kΩ
R2 = 220 Ω
R3 = 220 Ω
R4 = 10 kΩ
R5 = 10 kΩ
R6 = 2,7 kΩ
R7 = 1 kΩ
R8 = 10 kΩ
R9 = 470 kΩ
R10 = 27 kΩ
R11 = 33 Ω 1/2 W
R12 = 10 Ω 1/2 W
R13 = 10 Ω 1/2 W
R14 = 10 Ω 1/2 W
R15 = 10 Ω 1/2 W
R16 = 10 kΩ
R17 = 2,2 MΩ
R18 = 10 kΩ
R19 = 2,7 kΩ
R20 = 1 kΩ
R21 = 100 Ω
R22 = 10 kΩ
R23 = 100 Ω
R24 = 10 kΩ
R25 = 680 Ω
R26 = 100 Ω
R27 = 10 kΩ
R28 = 680 Ω
R29 = 100 Ω
R30 = 10 kΩ
R31 = 220 Ω
R32 = 1 kΩ
R33 = 1 MΩ
R34 = 47 kΩ
R35 = 10 kΩ
R36 = 10 kΩ
R37 = 100 kΩ
R38 = 47 kΩ
R39 = 10 kΩ
R40 = 10 kΩ
R41 = 10 kΩ
R42 = 0,47 Ω 5 W
C1 = 1 μF polyester
C2 = 330 nF polyester
C3 = 220 μF électrolytique
C4 = 10 μF électrolytique
C5 = 100 nF polyester
C6 = 3,9 nF polyester
C7 = 3,3 nF polyester
C8 = 100 nF polyester
C9 = 10 μF électrolytique
C10 = 470 nF polyester
C11 = 100 nF pol. 250 V
C12 = 100 nF pol. 250 V
C13 = 4 700 μF électrolytique
C14 = 1 μF pol. 100 V
C15 = 100 μF électr. 400 V
C16 = 100 nF polyester
C17 = 100 nF polyester
C18 = 56 pF céramique
C19 = 56 pF céramique
C20 = 100 nF polyester
C21 = 100 nF polyester
C22 = 100 nF polyester
C23 = 470 nF polyester
C24 = 470 nF polyester
C25 = 4,7 nF céram. 1 000 V
C26 = 4,7 nF céram. 1 000 V
C27 = 100 nF polyester
C28 = 47 μF électrolytique
C29 = 100 nF polyester
C30 = 10 μF électrolytique
C31 = 100 nF polyester
C32 = 100 nF polyester
C33 = 10 μF électrolytique
Z1 = Self 3 mH (VK 1449)
XTAL = Quartz 3,276 MHz
DS1 = Diode schottky BYW100
DS2 = Diode schottky BYW100
DS3 = Diode GI 851
DS4 = Diode GI 851
DS5 = Diode schottky BYT800
DS6 = Diode schottky BYT800
DS7 = Diode schottky BYT800
DS8 = Diode schottky BYT800
DS9 = Diode 1N4150
DS10 = Diode schottky BYT800
DS11 = Diode 1N4150
DS12 = Diode 1N4150
DS13 = Diode schottky BYT800
DS14 = Diode 1N4150
DS15 = Diode 1N4150
DS16 = Diode 1N4150
DS17 = Diode 1N4150
DL1 = Diode LED
TR1 = Transistor NPN 2N2222
TR2 = Transistor NPN BC547
TR3 = Transistor NPN BC547
TR4 = Transistor NPN BC547
MFT1-MFT4 = MOSFET IRFP150
MFT5-MFT8 = MOSFET 2SK2150
IC1 = Intégré UC3846
IC2 = CMOS 4040
IC3 = CMOS 4060
IC4 = CMOS 4013
IC5 = Intégré IR2111
IC6 = Intégré IR2111
IC7 = Intégré LM358
IC8 = Régulateur MC78L05
F1 = Fusible 25 A
T1 = Transfo. mod. TM.1449
S1 = Interrupteur
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
Figure
9: Chaque MOSFET doit être fixé sur son radiateur en interposant un
isolant mica. Les vis de fixation sont également isolées avec un
passe-vis plastique afin d’éviter les court-circuits.
Figure 10 : Vue en coupe du montage d’un MOSFET sur son radiateur.
Figure
11: Avant de fixer les douilles d’entrée 12 volts sur le panneau
arrière, il faut la démonter afin de replacer la rondelle isolante et
les deux écrous de l’autre côté du panneau.
Figure
12 : Vue du convertisseur depuis l’avant. Après avoir fixé les
panneaux avant et arrière sur les radiateurs, vous pouvez mettre en
place le fond et le couvercle du coffret.
Figure
13: Vue du convertisseur depuis l’arrière. La prise de sortie pour la
tension 220 volts, est insérée en force dans la découpe rectangulaire
présente sur la gauche du panneau.
Réalisation pratique
Même s’il y a de nombreux composants à monter, vous vous apercevrez que la réalisation du convertisseur ne présente aucune difficulté et si vous suivez attentivement toutes nos instructions, nous pouvons vous assurer qu’une fois le montage terminé, vous trouverez, sur la sortie, une tension de 220 volts - 50 Hz.
Sur la figure 8, vous trouverez le schéma d’implantation des composants.
Il suffit de vous y conformer scrupuleusement.
Vous pouvez commencer le montage en insérant, sur le circuit imprimé double face à trous métallisés, tous les supports des circuits intégrés.
Après avoir soudé toutes leurs broches sur les pistes en cuivre, nous vous conseillons d’effectuer un contrôle minutieux, car si vous oubliez de souder une seule broche ou bien si un court-circuit existe entre deux pistes, dû à une excessive quantité de soudure, le montage ne fonctionnera pas.
Cette opération terminée, vous pouvez installer toutes les résistances et les diodes, qui ont des références et des dimensions différentes. Certaines diodes, ont un boîtier en plastique, d’autres sont en verre. Lorsque vous mettez en place ces diodes, vous devez veiller à respecter leur polarité.
Avant de placer les diodes DS3-DS4 sur le circuit imprimé, vous devrez replier leurs pattes en “L” à l’aide d’une pince plate.
Poursuivez le montage, par la mise en place des condensateurs polyester, parmi lesquels C11, C12 et C14 ne sont pas moulés dans un boîtier plastique.
Attention de ne pas forcer sur les pattes de ces 3 condensateurs.
Dans le cas contraire, elles s’arracheront sans peine !
Sur le corps de ces condensateurs noninductifs, le marquage de la capacité est un peu équivoque, ainsi, pour plus de précision, nous le signalons ci-dessous :
μ1 indique 0,1 microfarad
1μ indique 1 microfarad
Près du quartz, insérez les deux condensateurs céramiques C18-C19 de 56 pF et près de la sortie des 220 volts, insérez les deux condensateurs céramiques de couleur bleue de 4700 pF référencés 472 - 1 kV de tension de service.
En dernier, montez les condensateurs électrolytiques, en respectant la polarité de leurs pattes. Normalement, seule la polarité négative est indiquée, matérialisée par un signe “I” disposé verticalement.
Après les condensateurs électrolytiques, insérez le circuit intégré IC8, en disposant la partie plate de son corps, vers la droite. Puis, insérez le transistor TR2, en orientant la partie plate de son corps vers la droite également ainsi que les deux transistors TR3 et TR4 en orientant la partie plate de leur corps vers le bas, comme cela est clairement visible sur la figure 8.
Pour le seul transistor en boîtier métallique, TR1, le petit ergot qui dépasse de sont corps, est orienté vers la résistance R6.
Lorsque vous mettez en place ces transistors, placez leur corps, à une distance de 4 à 5 mm du circuit imprimé.
A présent, vous pouvez mettre en place le transformateur T1. Après avoir inséré ses fils torsadés dans les larges trous du circuit imprimé, il faut les souder sur les pistes en cuivre en prenant soin de bien appuyer le transformateur sur le circuit imprimé.
A la droite du transformateur T1, vous devez insérer l’inductance Z1, réalisée sur un noyau en ferrite.
Sur le circuit imprimé, il manque seulement les MOSFET de puissance. Nous vous recommandons de fixer d’abord sur leurs dissipateurs latéraux, qui formeront ensuite les côtés du coffret.
Comme cela est visible sur les figures 9 et 10, n’oubliez pas d’intercaler un isolant mica entre la partie métallique de ces transistors et les radiateurs. N’oubliez pas non plus le passe-vis isolant.
Nous vous rappelons que les MOSFET référencés IRFP150, sont placés sur la gauche du circuit imprimé et ceux référencés 2SK2150 sur la droite du circuit imprimé.
Après avoir fixé tous les MOSFET sur les dissipateurs, nous vous conseillons de vérifier à l’aide d’un ohmmètre, que leur partie métallique soit électriquement isolée du dissipateur, car il suffit qu’un seul MOSFET soit en contact, pour créer un court-circuit.
A ce point, il est conseillé de fixer le panneau avant et le panneau arrière sur les deux dissipateurs, après avoir enfilé toutes les pattes des transistors dans les trous du circuit imprimé. Pour cela, tenez le circuit imprimé éloigné d’environ 5 mm des MOSFET.
Avant de souder les pattes des transistors, contrôlez que le circuit imprimé est parfaitement plan, afin qu’il ne se trouve pas incliné d’un côté.
Vous pouvez maintenant insérer, dans leur support respectif, les circuits intégrés, en faisant attention de bien orienter leur repère de positionnement en forme de “U” dans le sens indiqué sur la figure 8.
Afin de ne pas vous tromper lors de la mise en place des circuits intégrés, nous vous reproduisons la liste ci-dessous.
Pour compléter le montage, vous devez installer sur le panneau avant, la collerette chromée pour la diode LED DL1 et l’interrupteur S1, qui sera mis en place par simple pression dans la découpe rectangulaire sur le panneau.
Si vous voulez que la lampe interne à l’interrupteur s’allume lorsqu’il se trouve en position ON, vous devez connecter un fil au point visible sur la figure 8 et au bornier négatif des 12 volts.
Sur le panneau arrière, mettez en place le porte-fusible et les deux douilles banane pour permettre l’entrée de la tension 12 volts.
Mettez également en place la prise de sortie pour la tension de 220 volts, qui est d’un modèle à fixation par clips.
En ce qui concerne les douilles banane pour les 12 volts, comme nous l’avons déjà répété à maintes reprises, il est impératif de placer les rondelles isolantes entre la douille et le panneau métallique (voir figure 11).
Pour relier les deux douilles des 12 volts au bornier à deux pôles, au porte-fusible F1 et à l’interrupteur S1, il faut utiliser du câble 2,5 mm de diamètre au moins, isolé plastique.
Contrôlez qu’à l’intérieur du porte-fusible, est bien présent un fusible de 25 ampères.
Après avoir fixé le couvercle et le fond sur les deux dissipateurs, on obtient un coffret. Le convertisseur est alors prêt à fonctionner et, pour l’essayer, il suffit de relier sur la prise de sortie des 220 volts, une lampe de 10 à 150 watts et sur les douilles d’entrée une tension de 12 volts.
Vous vous demandez probablement à quoi sert un convertisseur en mesure de transformer une tension continue de 12 volts en une tension alternative de 220 volts.
Le premier exemple qui vient à l’esprit concerne l’utilisateur d’une caravane ou d’un camping-car qui pourra s’installer où bon lui semblera, même en dehors des zones aménagées pour le stationnement. En effet, à partir d’une batterie 12 volts, il pourra alimenter n’importe quel petit appareil ménager conçu pour une tension de 220 volts.
Ceux qui utilisent des panneaux solaires pour recharger des batteries de 12 volts, pourront convertir cette tension en une tension alternative de 220 volts, qu’ils pourront ensuite utiliser pour alimenter un éclairage, un téléviseur ou encore un émetteur de moyenne puissance.
Ceux qui utilisent couramment un ordinateur, savent que si la tension du secteur vient à manquer, même pour quelques secondes, tous les fichiers sur lesquels ils travaillent seront perdus. L’utilisation de ce convertisseur, permet à l’ordinateur de rester allumé, même si la tension secteur venait à disparaître, ce qui permet de poursuivre son travail en toute quiétude.
Ce ne sont que quelques exemples de l’utilisation possible de ce convertisseur. Nous sommes certains que vous avez déjà en tête l’application dans laquelle vous voudrez l’utiliser.
Dissertation terminologique !
Nous aurions pu appeler ce convertisseur “onduleur”. En effet, la mission qui lui est confiée est bien de créer une “onde” à partir d’une tension continue. Néanmoins, le terme “onduleur”, dans le langage informatique, désigne un appareil qui, partant du secteur 220 volts, fournit une tension de remplacement équivalente durant les coupures de courant.
Dans ce sens, notre convertisseur n’est pas un onduleur à part entière car il n’intègre pas les parties “batterie” et “chargeur de batterie”. D’un autre côté, il est beaucoup plus qu’un onduleur, car sa sortie est stabilisée en tension et en fréquence, ce qui n’est pas le cas de la majorité des onduleurs du commerce !
En fait, pour transformer notre convertisseur en onduleur de haute qualité, il suffit de lui adjoindre l’indispensable batterie et un chargeur idoine !
Entrons dans le vif du sujet
A la sortie de ce convertisseur, on trouve une onde carrée de forme particulière (voir figure 1) d’une fréquence de 50 Hz. Ceux qui pensent que cette forme d’onde n’est pas idéale pour alimenter des circuits conçus pour une tension sinusoïdale, sont dans l’erreur et nous allons le démontrer !
Une onde carrée de ce type peut tranquillement être utilisée pour alimenter une radio, un ordinateur, un téléviseur, etc. Pourquoi ? Simplement parce que, comme chacun sait, qu’elle que soit la forme de la tension alternative appliquée au primaire d’un transformateur, elle sera récupérée sur son secondaire pour être convertie en une tension continue par des diodes ou un pont redresseur pour être ensuite filtrée et régulée avant utilisation dans les différents circuits !
Pour preuve, si vous avez la possibilité de contrôler un onduleur du commerce, vendu pour alimenter les ordinateurs, vous noterez, lorsque le secteur vient à manquer, que celui-ci génère une onde carrée qui, de plus, n’est stabilisée qu’en tension mais pas en fréquence !
De notre convertisseur par contre, sort une onde carrée, stabilisée aussi bien en tension, qu’en fréquence.
Précisons que ce convertisseur peut également être utilisé pour alimenter un ventilateur ou un quelconque petit appareil domestique, pourvu qu’il ne consomme pas plus de 160 watts.
En observant, sur la figure 1, la forme d’onde qui sort de ce convertisseur, on s’aperçoit immédiatement que la demi-onde positive est séparée de la demi-onde négative et vice-versa, par une pause de 2,5 millisecondes.
Comme la durée de la demi-onde positive et celle de la demi-onde négative sont de 7,5 millisecondes, en additionnant à celles-ci les temps de pause, on obtient un cycle complet tous les :
Ce qui correspond à une fréquence exacte de :
Le rendement de ce convertisseur tourne aux alentours des 80 %. De ce fait, si, sur sa sortie, nous relions une charge 60 watts, le convertisseur consommera 72 watts sur la batterie.
Si la charge est de 100 watts, il consommera 120 watts et si nous relions une charge de 150 watts, il consommera 180 watts.
Avec une consommation de 72 watts, le convertisseur demandera à la batterie :
Avec une consommation de 120 watts, le convertisseur consommera sur la batterie :
Avec une consommation de 180 watts, le convertisseur tirera de la batterie :
Il faut souligner, que plus la tension de la batterie baisse, plus la consommation du convertisseur augmente pour obtenir en sortie une tension de 220 volts stabilisés.
Si nous alimentons le convertisseur avec une batterie de 60 Ah et que nous consommons environ 6 ampères, la batterie sera déchargée au bout de 10 heures environ.
Si, par contre, nous consommons 10 ampères, elle sera vide en 6 heures et, si la consommation passe à 15 ampères, elle sera vide au bout de 4 heures seulement.
Figure
1: La demi-onde positive est séparée de la demi-onde négative et
vice-versa, par une pause de 2,5 millisecondes. Cette pause est
indispensable pour permettre à chaque paire de MOSFET de s’ouvrir avant
que la paire opposée ne se ferme.Sans cette pause, les quatre MOSFET conduiraient simultanément durant quelques millisecondes et cela provoquerait un court-circuit.
Figure
2 : Sur la photo de début d’article, vous pouvez voir le panneau avant
du coffret du convertisseur. Sur cette photo, vous pouvez voir la
partie arrière, où sont fixés, la prise de sortie 220 volts, les deux
douilles d’entrée 12 volts et le porte-fusible.Schéma électrique
En regardant le schéma électrique de la figure 3, on peut noter que ce convertisseur est composé de deux étages distincts.
Le premier étage, formé par le circuit intégré UC3646 (voir IC1) et de quatre MOSFET de puissance référencés IRFP150 (voir MFT1 à MFT4), est utilisé pour obtenir une tension continue stabilisée de 294 volts.
Quant au second étage, qui utilise quatre MOSFET de puissance référencés 2SK2150 (voir MFT5 à MFT8), il est utilisé pour convertir la tension continue fournie par le premier étage, en une tension alternative de 220 volts - 50 Hz.
A première vue, le schéma peut sembler complexe et peu compréhensible, mais si vous suivez notre description, vous découvrirez qu’en plus d’être simple, il est aussi très instructif, parce que, finalement, il vous permettra de comprendre le fonctionnement d’un convertisseur continu/alternatif.
Figure 3 : Schéma électrique du convertisseur 12 Vcc / 220 Vac.Rôle de IC1
Commençons la description par le circuit intégré IC1 (UC3846), qui permet de piloter en PWM (Pulse Width Modulation) – en français, MLI (Modulation à Largeur d’Impulsions) – les paires de MOSFET de puissance MFT1-MFT2 et MFT3-MFT4 qui se trouvent connectés sur ses broches de sortie 14 et 11.
Comme de la broche 11 sort une onde carrée déphasée de 180° par rapport à celle issue de la broche 14, les deux paires de MOSFET de puissance se comportent comme des interrupteurs, qui se ferment et qui s’ouvrent en opposition de phase.
Lorsque la paire de MOSFET MFT1-MFT2 est en conduction, la paire MFT3-MFT4 est bloquée et lorsque c’est la paire MFT3-MFT4 qui est conductrice, la paire MFT1-MFT2 est à son tour bloquée.
De l’enroulement secondaire de T1, qui a un nombre de spires supérieur par rapport à l’enroulement primaire, on prélève une tension crête d’environ 350 volts. Tension qui est redressée par les diodes DS5-DS6 et DS7-DS8 puis filtrée par le condensateur électrolytique C15.
Notez, que la prise centrale du secondaire du transformateur T1, n’est pas connectée à la masse, mais aux diodes DS3 et DS4 reliées aux drains des transistors MOSFET MFT1-MFT2 et MFT3-MFT4.
Ces diodes, redressant les pics de tension, fournissent une tension continue, laquelle, ajoutée à la tension déjà redressée par les diodes DS5-DS6 et DS7-DS8, nous permet d’augmenter le rendement du convertisseur.
A titre d’information, sachez que ce transformateur, équipé d’un noyau en ferrite, a un primaire composé de 10 spires, avec une prise centrale et un enroulement secondaire composé de 400 spires, toujours avec une prise centrale.
Le circuit intégré IC1 permet de stabiliser la tension continue sur 294 volts, même si la tension de la batterie descend à des valeurs inférieures à 12 volts et cela, même si la consommation de la charge varie en sortie.
De ce fait, nous prélèverons toujours à la sortie de ce convertisseur, une tension alternative stabilisée de 220 volts.
La fréquence de l’onde carrée qui sort des broches 11 et 14 d’IC1 est d’environ 30 kilohertz et cette valeur s’obtient en appliquant entre la broche 8 et la masse, un condensateur de 3 900 pF (voir figure 6) et entre la broche 9 et la masse, une résistance de 10 kilohms (voir R8).
C’est la broche 6 d’IC1, qui se charge de stabiliser la tension requise de 294 volts sur le condensateur C15.
Cette broche est en fait connectée, à travers un diviseur de tension composé des trois résistances R1, R9 et R10, à la tension déjà redressée et filtrée présente sur le condensateur électrolytique C15. Cette tension sera ensuite comparée avec une tension de référence interne au circuit intégré IC1.
Si la tension de sortie devait augmenter au-delà des 294 volts requis, le circuit intégré IC1, diminuera immédiatement le rapport cyclique de l’onde carré qui pilote les quatre MOSFET MFT1-MFT2 et MFT3-MFT4 et, automatiquement, la tension redescendra sur la valeur requise.
Si la tension de sortie devait descendre sous les 294 volts, parce que la batterie est en état de décharge, le circuit intégré IC1, augmente le rapport cyclique de l’onde carré et automatiquement la tension remontera sur la valeur requise.
Dans cet étage, la valeur de la résistance R9 est critique, parce que c’est elle qui détermine la valeur de la tension que l’on veut prélever de la sortie du convertisseur CC/CC.
Figure 4 : Brochages, vus de dessus, des circuits intégrés utilisés dans cette réalisation.Les brochages des transistors et du régulateur 78L05 sont vus de dessous et ceux des MOSFET, de face.
Transformation du continu en alternatif
Après avoir expliqué que cet étage est uniquement utilisé pour obtenir une tension continue de 294 volts, nous pouvons passer à la description du second étage, qui permet de convertir cette tension continue en une tension alternative de 220 volts, avec une fréquence exacte de 50 hertz.
Le circuit intégré IC3, un simple intégré CMOS 4060, est utilisé dans ce circuit comme étage oscillateur et diviseur par 128. Un quartz de 3,2768 MHz ayant été placé entre les broches 10 et 11 de IC3, sur la broche 6, nous retrouvons un signal carré d’une fréquence de :
Cette fréquence atteint la broche 10 d’un second circuit intégré CMOS 4040, qui permet de diviser la fréquence de 25 600 Hz par 512 fois. Ainsi, de la broche de sortie 12, sort un signal carré avec une fréquence de :
Cette fréquence de 50 Hz est appliquée sur la broche CK (broche 3) du premier flip-flop D référencé IC4/A.
La sortie QA (broche 1), est utilisée pour piloter le MOSFET MFT5, par l’intermédiaire du circuit intégré IC5, par contre, la sortie QB (broche 2), est utilisée pour piloter le MOSFET MFT8, par l’intermédiaire du transistor TR4.
La même fréquence de 50 hertz est également appliquée sur la broche CK (broche 11) du second flip-flop de type D, référencé IC4/B, mais déphasée de 180° par le transistor TR2.
La sortie QA (broche 13), est utilisée pour piloter le MOSFET MFT6, par l’intermédiaire du circuit intégré IC6. Par contre, la sortie QB (broche 12), est utilisée pour piloter le MOSFET MFT7, par l’intermédiaire du transistor TR3.
Pour vous faire comprendre comment ces quatre MOSFET parviennent à convertir une tension continue en une tension alternative de 220 volts, sur la figure 5, nous les avons dessinés en montage en pont.
Lorsque sur l’entrée CK du flip-flop IC4/A arrive le front montant de l’onde carrée à 50 Hz, la sortie QA commute au niveau logique 1. Par contre, la sortie opposée QB commute au niveau logique 0.
Comme sur l’entrée CK du second flip-flop IC4/B, parvient un signal carré déphasé de 180°, ses deux sorties commutent sur un niveau logique inverse par rapport au premier flip-flop. Ainsi, la sortie QA commute au niveau logique 0 et la sortie opposée QB, commute au niveau logique 1.
Lorsque sur la broche de sortie QA du flip-flop IC4/A est présent un niveau logique 1, seul devient conducteur le MOSFET MFT5 et non le MFT8, parce que sur la sortie opposée QB, se trouve un niveau logique 0 (voir figure 5).
Sur la broche de sortie QA du second flip-flop IC4/B est présent un niveau logique 0. Ainsi, il ne permet pas au MOSFET MFT6 de conduire mais, par contre, le MOSFET MFT7 devient conducteur car, sur la sortie opposée QB, est présent un niveau logique 1.
Figure
5: Pour vous faire comprendre comment les MOSFET parviennent à
convertir une tension continue en une tension alternative, vous devez
les imaginer comme s’ils étaient reliés en pont. Comme nous l’avons
expliqué dans le texte, les Gates sont pilotées par les sorties QA et QB
des deux flip-flop IC4/A et IC4/B.Commutation des 4 MOSFET
Si vous regardez le dessin de la figure 6, il sera beaucoup plus facile de comprendre comment se commutent les quatre MOSFET que, par souci de simplification, nous avons représentés comme de simples interrupteurs.
Cycle 1 - Les MOSFET MFT5-MFT7 sont fermés et, de ce fait, nous prélevons une demi-onde positive, d’une durée de 7,5 millisecondes, sur leurs sorties.
Cycle 2 - Les MOSFET MFT5-MFT7 s’ouvrent et demeurent dans cette situation durant un temps de pause de 2,5 millisecondes.
Cycle 3 - Les MOSFET MFT6-MFT8 se ferment et, dès lors, on peut prélever une demi-onde négative d’une durée de 7,5 millisecondes, sur leurs sorties.
Cycle 4 - Les MOSFET MFT6-MFT8 s’ouvrent et demeurent dans cette situation durant un temps de 2,5 millisecondes.
Passé ce temps de pause de 2,5 millisecondes, les quatre cycles visibles sur la figure 6, se répètent de nouveau et ainsi de suite, à l’infini.
Sur la droite de la figure 6, vous pouvez voir les niveaux logiques 1-0 qui parviennent sur les Gates des quatre MOSFET de puissance et la forme de l’onde alternative que nous prélevons sur les bornes de sortie de ce convertisseur.
Le temps de pause de 2,5 millisecondes, entre les deux demi-ondes, est obtenu en appliquant sur les broches de reset des deux flip-flop IC4/A-IC4B, une fréquence de 100 hertz, que nous prélevons des diodes DS9 et DS10 connectées sur les broches 13 et 4 du circuit intégré IC2.
Il faut signaler, que ces 2,5 millisecondes de pause, sont indispensables, pour permettre à chaque paire de MOSFET de s’ouvrir avant que la paire opposée ne se ferme. Sans cette pause, les quatre MOSFET conduiraient simultanément durant quelques millisecondes et cela provoquerait un courtcircuit.
Certains pourraient se demander comment on parvient à obtenir en sortie une tension alternative stabilisée sur la valeur de 220 volts, en utilisant une tension continue de 294 volts.
Comme on peut le voir sur la figure 1, pour un cycle complet d’une durée de 20 millisecondes, les deux demi-ondes positive et négative demeurent actives, pour une durée de 7,5 + 7,5 = 15 millisecondes et en pause, durant un temps de 2,5 + 2,5 = 5 millisecondes.
Les deux demi-ondes étant actives durant 15 millisecondes et en pause durant 5 millisecondes, un cycle complet aura donc une durée de 20 millisecondes et, pour calculer la tension alternative que nous prélevons en sortie, nous pouvons utiliser cette formule:
Ainsi, comme vous pouvez vous-même le constater, d’une tension continue de 294 volts, on parvient à prélever, en sortie, une tension alternative de :
Figure 6: Lorsque sur la sortie QA du flip-flop IC4/A est présent un niveau logique 1, sur sa sortie opposée QB est présent un niveau logique 0. Comme le second flip-flop IC4/B reçoit un signal déphasé de 180°, lorsque sur sa sortie QA est présent un niveau logique 0, sur sa sortie opposée QB est présent un niveau logique 1.
Figure 6a : Au premier cycle, les deux MOSFET MFT5-MFT7 conduiront et fourniront en sortie une demi-onde positive.Au second cycle, nous aurons une pause de 2,5 millisecondes. Les quatre MOSFET ne généreront aucune tension.
Au troisième cycle, les deux MOSFET MFT6-MFT8 conduiront et fourniront en sortie, une demi-onde négative.
Au quatrième cycle, nous aurons une pause de 2,5 millisecondes. Les quatre MOSFET ne généreront aucune tension.
Ces quatre cycles, se répétant à l’infini, nous permettent de prélever à la sortie des MOSFET, une onde carrée composée d’une demi-onde positive et d’une demi-onde négative comme cela est visible sur le dessin de la figure 6b.
Figure 6b : Génération de la tension alternative par les MOSFETRôle de IC5-IC6, TR3-TR4 et IC7/A-IC7/B
A ce point, nous devons vous expliquer à quoi servent les deux circuits intégrés IC5-IC6, les transistors TR3-TR4 et les deux amplificateurs opérationnels IC7/A et IC7/B.
Les transistors TR3-TR4 sont utilisés comme driver pour piloter les deux MOSFET MFT7-MFT8, car les sorties QB des deux flip-flop IC4/AIC4/B ne sont pas en mesure de fournir le courant nécessaire pour les porter en conduction.
Les circuits intégrés IC5-IC6, qui sont des circuits “half bridge driver” du type IR2111 en mesure de fournir le courant nécessaire, sont utilisés uniquement pour piloter les deux MOSFET MFT5-MFT6 et non pour piloter les deux MOSFET MFT7-MFT8.
L’explication est très simple.
En fait, si vous regardez le dessin de la figure 3, vous noterez que les sources des deux MOSFET MFT7-MFT8 sont reliées à la masse. Ainsi, pour les faire passer en conduction, il suffit d’appliquer sur leur Gate, une impulsion positive de 12 volts par rapport à la masse.
Les sources des deux MOSFET MFT5-MFT6 sont, par contre, reliées à la tension des 220 volts que nous prélevons de la sortie du convertisseur. Ainsi, pour les faire passer en conduction, nous devons appliquer sur leur Gate, une impulsion positive, qui atteindra, par rapport à la masse, une valeur de 220 + 12 = 232 volts.
En connectant les broches 6 des circuits intégrés IR2111 aux sources des deux MOSFET MFT5-MFT6, ceux-ci, feront sortir des broches 7, une impulsion positive de 12 volts supérieure par rapport à la tension présente sur leur source de 12 + 220 = 232 volts.
Les deux derniers amplificateurs opérationnels référencés IC7/A-IC7/B ont été utilisés pour protéger le convertisseur contre d’éventuelles surcharges ou contre des courts-circuits imprévus.
En fait, plus le courant consommé par le convertisseur augmente, plus la chute de tension aux bornes de la résistance R42, connectée aux deux Sources des MOSFET MFT7-MFT8, augmente.
Lorsque la consommation sur le convertisseur fait apparaître un courant de plus de 0,73 ampère aux bornes de la résistance R42, nous avons une tension supérieure à 0,33 volt et, automatiquement, sur la broche 7 de l’amplificateur opérationnel IC7/A, nous trouvons une tension d’environ 5 volts.
Cette tension, en plus de commander l’allumage de la diode LED DL1, rejoint également la broche 16 d’IC1, bloquant son fonctionnement.
IC1 ne générant plus l’onde carrée à 30 kHz que nous utilisons pour piloter les deux MOSFET MFT1-MFT2 et MFT3-MFT4, la tension de 294 volts continus, devant être convertie en tension alternative, manquera instantanément.
De ce fait, aucune tension ne sera plus présente sur les borniers de sortie.
Avec une valeur de R42 de 0,47 ohm, nous pourrons prélever de la sortie, une puissance maximale d’environ 160 watts, mais il suffit d’une petite tolérance sur la valeur ohmique de cette résistance pour que le convertisseur passe en protection sur une puissance légèrement différente, en plus ou en moins.
Figure 7 : Photo du prototype du convertisseur, avec ses deux dissipateurs en place.
Figure 8 : Schéma d’implantation des composants du convertisseur.Les fils à utiliser pour les connexions des 12 volts, doivent avoir un diamètre égal ou supérieur à 2,5 mm.
Liste des composants
R1 = 10 kΩ
R2 = 220 Ω
R3 = 220 Ω
R4 = 10 kΩ
R5 = 10 kΩ
R6 = 2,7 kΩ
R7 = 1 kΩ
R8 = 10 kΩ
R9 = 470 kΩ
R10 = 27 kΩ
R11 = 33 Ω 1/2 W
R12 = 10 Ω 1/2 W
R13 = 10 Ω 1/2 W
R14 = 10 Ω 1/2 W
R15 = 10 Ω 1/2 W
R16 = 10 kΩ
R17 = 2,2 MΩ
R18 = 10 kΩ
R19 = 2,7 kΩ
R20 = 1 kΩ
R21 = 100 Ω
R22 = 10 kΩ
R23 = 100 Ω
R24 = 10 kΩ
R25 = 680 Ω
R26 = 100 Ω
R27 = 10 kΩ
R28 = 680 Ω
R29 = 100 Ω
R30 = 10 kΩ
R31 = 220 Ω
R32 = 1 kΩ
R33 = 1 MΩ
R34 = 47 kΩ
R35 = 10 kΩ
R36 = 10 kΩ
R37 = 100 kΩ
R38 = 47 kΩ
R39 = 10 kΩ
R40 = 10 kΩ
R41 = 10 kΩ
R42 = 0,47 Ω 5 W
C1 = 1 μF polyester
C2 = 330 nF polyester
C3 = 220 μF électrolytique
C4 = 10 μF électrolytique
C5 = 100 nF polyester
C6 = 3,9 nF polyester
C7 = 3,3 nF polyester
C8 = 100 nF polyester
C9 = 10 μF électrolytique
C10 = 470 nF polyester
C11 = 100 nF pol. 250 V
C12 = 100 nF pol. 250 V
C13 = 4 700 μF électrolytique
C14 = 1 μF pol. 100 V
C15 = 100 μF électr. 400 V
C16 = 100 nF polyester
C17 = 100 nF polyester
C18 = 56 pF céramique
C19 = 56 pF céramique
C20 = 100 nF polyester
C21 = 100 nF polyester
C22 = 100 nF polyester
C23 = 470 nF polyester
C24 = 470 nF polyester
C25 = 4,7 nF céram. 1 000 V
C26 = 4,7 nF céram. 1 000 V
C27 = 100 nF polyester
C28 = 47 μF électrolytique
C29 = 100 nF polyester
C30 = 10 μF électrolytique
C31 = 100 nF polyester
C32 = 100 nF polyester
C33 = 10 μF électrolytique
Z1 = Self 3 mH (VK 1449)
XTAL = Quartz 3,276 MHz
DS1 = Diode schottky BYW100
DS2 = Diode schottky BYW100
DS3 = Diode GI 851
DS4 = Diode GI 851
DS5 = Diode schottky BYT800
DS6 = Diode schottky BYT800
DS7 = Diode schottky BYT800
DS8 = Diode schottky BYT800
DS9 = Diode 1N4150
DS10 = Diode schottky BYT800
DS11 = Diode 1N4150
DS12 = Diode 1N4150
DS13 = Diode schottky BYT800
DS14 = Diode 1N4150
DS15 = Diode 1N4150
DS16 = Diode 1N4150
DS17 = Diode 1N4150
DL1 = Diode LED
TR1 = Transistor NPN 2N2222
TR2 = Transistor NPN BC547
TR3 = Transistor NPN BC547
TR4 = Transistor NPN BC547
MFT1-MFT4 = MOSFET IRFP150
MFT5-MFT8 = MOSFET 2SK2150
IC1 = Intégré UC3846
IC2 = CMOS 4040
IC3 = CMOS 4060
IC4 = CMOS 4013
IC5 = Intégré IR2111
IC6 = Intégré IR2111
IC7 = Intégré LM358
IC8 = Régulateur MC78L05
F1 = Fusible 25 A
T1 = Transfo. mod. TM.1449
S1 = Interrupteur
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
Figure
9: Chaque MOSFET doit être fixé sur son radiateur en interposant un
isolant mica. Les vis de fixation sont également isolées avec un
passe-vis plastique afin d’éviter les court-circuits.
Figure 10 : Vue en coupe du montage d’un MOSFET sur son radiateur.
Figure
11: Avant de fixer les douilles d’entrée 12 volts sur le panneau
arrière, il faut la démonter afin de replacer la rondelle isolante et
les deux écrous de l’autre côté du panneau.
Figure
12 : Vue du convertisseur depuis l’avant. Après avoir fixé les
panneaux avant et arrière sur les radiateurs, vous pouvez mettre en
place le fond et le couvercle du coffret.
Figure
13: Vue du convertisseur depuis l’arrière. La prise de sortie pour la
tension 220 volts, est insérée en force dans la découpe rectangulaire
présente sur la gauche du panneau.Réalisation pratique
Même s’il y a de nombreux composants à monter, vous vous apercevrez que la réalisation du convertisseur ne présente aucune difficulté et si vous suivez attentivement toutes nos instructions, nous pouvons vous assurer qu’une fois le montage terminé, vous trouverez, sur la sortie, une tension de 220 volts - 50 Hz.
Sur la figure 8, vous trouverez le schéma d’implantation des composants.
Il suffit de vous y conformer scrupuleusement.
Vous pouvez commencer le montage en insérant, sur le circuit imprimé double face à trous métallisés, tous les supports des circuits intégrés.
Après avoir soudé toutes leurs broches sur les pistes en cuivre, nous vous conseillons d’effectuer un contrôle minutieux, car si vous oubliez de souder une seule broche ou bien si un court-circuit existe entre deux pistes, dû à une excessive quantité de soudure, le montage ne fonctionnera pas.
Cette opération terminée, vous pouvez installer toutes les résistances et les diodes, qui ont des références et des dimensions différentes. Certaines diodes, ont un boîtier en plastique, d’autres sont en verre. Lorsque vous mettez en place ces diodes, vous devez veiller à respecter leur polarité.
Avant de placer les diodes DS3-DS4 sur le circuit imprimé, vous devrez replier leurs pattes en “L” à l’aide d’une pince plate.
Poursuivez le montage, par la mise en place des condensateurs polyester, parmi lesquels C11, C12 et C14 ne sont pas moulés dans un boîtier plastique.
Attention de ne pas forcer sur les pattes de ces 3 condensateurs.
Dans le cas contraire, elles s’arracheront sans peine !
Sur le corps de ces condensateurs noninductifs, le marquage de la capacité est un peu équivoque, ainsi, pour plus de précision, nous le signalons ci-dessous :
1μ indique 1 microfarad
Près du quartz, insérez les deux condensateurs céramiques C18-C19 de 56 pF et près de la sortie des 220 volts, insérez les deux condensateurs céramiques de couleur bleue de 4700 pF référencés 472 - 1 kV de tension de service.
En dernier, montez les condensateurs électrolytiques, en respectant la polarité de leurs pattes. Normalement, seule la polarité négative est indiquée, matérialisée par un signe “I” disposé verticalement.
Après les condensateurs électrolytiques, insérez le circuit intégré IC8, en disposant la partie plate de son corps, vers la droite. Puis, insérez le transistor TR2, en orientant la partie plate de son corps vers la droite également ainsi que les deux transistors TR3 et TR4 en orientant la partie plate de leur corps vers le bas, comme cela est clairement visible sur la figure 8.
Pour le seul transistor en boîtier métallique, TR1, le petit ergot qui dépasse de sont corps, est orienté vers la résistance R6.
Lorsque vous mettez en place ces transistors, placez leur corps, à une distance de 4 à 5 mm du circuit imprimé.
A présent, vous pouvez mettre en place le transformateur T1. Après avoir inséré ses fils torsadés dans les larges trous du circuit imprimé, il faut les souder sur les pistes en cuivre en prenant soin de bien appuyer le transformateur sur le circuit imprimé.
A la droite du transformateur T1, vous devez insérer l’inductance Z1, réalisée sur un noyau en ferrite.
Sur le circuit imprimé, il manque seulement les MOSFET de puissance. Nous vous recommandons de fixer d’abord sur leurs dissipateurs latéraux, qui formeront ensuite les côtés du coffret.
Comme cela est visible sur les figures 9 et 10, n’oubliez pas d’intercaler un isolant mica entre la partie métallique de ces transistors et les radiateurs. N’oubliez pas non plus le passe-vis isolant.
Nous vous rappelons que les MOSFET référencés IRFP150, sont placés sur la gauche du circuit imprimé et ceux référencés 2SK2150 sur la droite du circuit imprimé.
Après avoir fixé tous les MOSFET sur les dissipateurs, nous vous conseillons de vérifier à l’aide d’un ohmmètre, que leur partie métallique soit électriquement isolée du dissipateur, car il suffit qu’un seul MOSFET soit en contact, pour créer un court-circuit.
A ce point, il est conseillé de fixer le panneau avant et le panneau arrière sur les deux dissipateurs, après avoir enfilé toutes les pattes des transistors dans les trous du circuit imprimé. Pour cela, tenez le circuit imprimé éloigné d’environ 5 mm des MOSFET.
Avant de souder les pattes des transistors, contrôlez que le circuit imprimé est parfaitement plan, afin qu’il ne se trouve pas incliné d’un côté.
Vous pouvez maintenant insérer, dans leur support respectif, les circuits intégrés, en faisant attention de bien orienter leur repère de positionnement en forme de “U” dans le sens indiqué sur la figure 8.
Afin de ne pas vous tromper lors de la mise en place des circuits intégrés, nous vous reproduisons la liste ci-dessous.
IC1 = support pour le circuit intégré UC3846 IC2 = support pour le circuit intégré HCF4040 IC3 = support pour le circuit intégré HCF4060 IC4 = support pour le circuit intégré HCF4013 IC5 = support pour le circuit intégré IR2111 IC6 = support pour le circuit intégré IR2111 IC7 = support pour le circuit intégré LM358
Pour compléter le montage, vous devez installer sur le panneau avant, la collerette chromée pour la diode LED DL1 et l’interrupteur S1, qui sera mis en place par simple pression dans la découpe rectangulaire sur le panneau.
Si vous voulez que la lampe interne à l’interrupteur s’allume lorsqu’il se trouve en position ON, vous devez connecter un fil au point visible sur la figure 8 et au bornier négatif des 12 volts.
Sur le panneau arrière, mettez en place le porte-fusible et les deux douilles banane pour permettre l’entrée de la tension 12 volts.
Mettez également en place la prise de sortie pour la tension de 220 volts, qui est d’un modèle à fixation par clips.
En ce qui concerne les douilles banane pour les 12 volts, comme nous l’avons déjà répété à maintes reprises, il est impératif de placer les rondelles isolantes entre la douille et le panneau métallique (voir figure 11).
Pour relier les deux douilles des 12 volts au bornier à deux pôles, au porte-fusible F1 et à l’interrupteur S1, il faut utiliser du câble 2,5 mm de diamètre au moins, isolé plastique.
Contrôlez qu’à l’intérieur du porte-fusible, est bien présent un fusible de 25 ampères.
Après avoir fixé le couvercle et le fond sur les deux dissipateurs, on obtient un coffret. Le convertisseur est alors prêt à fonctionner et, pour l’essayer, il suffit de relier sur la prise de sortie des 220 volts, une lampe de 10 à 150 watts et sur les douilles d’entrée une tension de 12 volts.
merci
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