F6BQP

Alimentation 13,8V 20A

Schéma
(format PDF)

Caractéristiques IRF540
page 1
page 2
page 3

J'ai étudié et réalisé cette alimentation en 1999 avec les objectifs suivants :

régulation linéaire (pas de découpage plus ou moins générateur de QRM)
insensibilité à la HF
utilisation de composants discrets
simplicité de réalisation

Le schéma présente 2 originalités :

utilisation de 3 transistors MOSFET de puissance en parallèle pour les ballasts
régulation dans la ligne négative ; de ce fait le drain des transistors ballast se trouve au potentiel de la masse et il devient inutile de les isoler : meilleur contact thermique avec le radiateur et simplicité de montage.

Après redressement et filtrage, la boucle de régulation est constituée d'un ampli différentiel avec 2 transistors PNP 2N2907 qui compare une fraction de la tension de sortie avec une tension de référence de 2,5 V fournie par un LM185 (que l'on peut remplacer par une diode zener de 2,7 V).
La sortie de l'ampli différentiel commande directement les grilles des ballasts (avantage d'utiliser des MOSFETs : commande en tension, pas de courant base à fournir).
Une limitation de courant est prévue : dès que la chute de tension sur les résistances de 50 millohms d'équilibrage dans les sources des ballasts dépasse 0,7V, le 2N2222 entre en conduction et réduit la tension grille-source des ballasts. Le courant est alors limité à 3 x (0,7/0,05) = 42 A, le temps pour le fusible de 25 A de fondre...
Remarque: le fusible et l'ampèremètre sont inclus dans la boucle de régulation et leur résistance interne n'influe pas sur la qualité de la régulation.

Sur le schéma, les liaisons représentées en gras supportent le courant maximum et doivent être dimensionnées en conséquence (fil de 2,5 mm² de section), les autres connexions sont en fil de cablage fin.

Sur la photo, on peut voir le transfo 400 VA 2 x 15 V (les 2 enroulements secondaires sont en parallèle), le condensateur de filtrage (constitué de 3 x 22000 µF en parallèle), le radiateur sur lequel sont vissés directement les 3 MOSFETs IRF540.

Performances : testée à 22 A (avec des ampoules de phare de voiture) la chute de tension est de 0,2 V (soit 13,6 V à pleine charge pour 13,8 V à vide), et l'ondulation résiduelle à 100 Hz n'est que de 6 mVcc.

Annexe : Calcul de dissipation thermique dans les ballasts :

Il faut s'assurer que la température jonction des transistors ballast ne dépasse pas la valeur limite de 150°C.
En réalité, la puissance dissipée autorisée décroit avec la température (voir page 3 des caractéristiques de l'IRF540) et s'il peut dissiper 125 W à 20°C, il ne peut plus dissiper que 30 W à 120°C et 0 W à 150°C !
il est donc prudent de ne pas dépasser 120°C.
La température jonction (Tj) se calcule ainsi:

Tj = Ta + (Pd x Rth J-A) avec :

Ta = Température ambiante
Pd = Puissance dissipée
Rth J-A = Résistance thermique jonction-ambiante

La résistance thermique jonction-ambiante est la somme de 3 résistances thermiques:

Rth J-A = (Rth jonction-boitier) + (Rth boitier-radiateur) + (Rth radiateur-ambiante)

pour l'IRF540, on a : Rth jonction-boitier = 1°/W (voir page 2 des caractéristiques de l'IRF540)
Rth boitier-radiateur = 1°/W

le radiateur utilisé (à ailettes) a pour dimensions 160 x 100 x 40 mm , sa résistance thermique est estimée à :
Rth radiateur-ambiante = 1,1 °/W

Comme il y a 3 transistors en parallèle, on divise par 3 les résistances thermiques (Rth jonction-boitier) et (Rth boitier-radiateur) ce qui nous donne :
Rth J-A = 0,33 + 0,33 + 1,1 = 1,76 °/W

Prenons 2 cas de figure :

1) courant 7 A (soit environ la consommation moyenne en émission BLU pour un transceiver
standard de 100 W)
la tension aux bornes des ballasts est alors de 6 V, soit Pd = 6 x 7 = 42 W.
on a donc (pour une température ambiante de 25°C) : Tj = 25 + (42 x 1,76) = 98,9 °C tout va bien

2) courant 20A
la tension aux bornes des ballasts est alors de 4 V, soit Pd = 4 x 20 = 80 W.
on a donc : Tj = 25 + (80 x 1,76) = 165,8 °C rien ne va plus ! il faut soit utiliser un radiateur plus gros, soit mettre un quatrième transistor ballast, dans ce cas on aurait Rth J-A = 0,25 + 0,25 + 1,1 = 1,60 °/W et alors Tj = 25 + (80 x 1,60) = 153 °C on est encore trop juste ! si on réduit de seulement 1V la tension au secondaire du transfo en débobinant quelques spires, à 20 A on gagne tout de suite 20 W et alors on aurait : Tj = 25 + (60 x 1,60) = 121 °C c'est gagné!

Auteur: F6BQP