Régulateur Alimentation Haute Tension

Copyleft Yves Monmagnon. Juillet 2009
MAJ n°1 du 25 Juillet 2009  
MAJ n°2 du 27 Juillet 2009  
MAJ n°3 du 1er Aout 2009

Merci à trappeur pour avoir signalé des erreurs.
Merci à Totof pour sa contribution..

Contenu:

  1. Schéma_de_base
  2. Principe
  3. Plage d'utilisation
  4. Tension_de_déchet
  5. Calcul_de_R
  6. Calcul_du_Radiateur_du_Ballast
  7. Tension_négative_et_positive_asservie
  8. Réalisations

Schéma de base



Principe

Il s'agit d'une régulation série utilisant une source de courant (Q1 et R1) pour forcer une tension constante aux bornes de le résistance R. Cette tension est appliquée à la grille du ballast (Q2).
Il n'y a pas boucle d'asservissement ce qui élimine tout risque de pompage lors d'une variation du courant dans la charge.
Q1 est un Mosfet à apauvrissement, le courant est fixé par la valeur de R1 et sa tension de pincement.

La tension de pincement est la tension grille/source à la quelle le Mosfet se bloque. Elle est variable d'un échantillon à l'autre et doit être prise en compte dans le calcul de R

Avec les valeurs indiquées, le courant traversant R est typiquement de 1 mA, la tension obtenue est donc R / 1000.
Cette tension est appliquée à la grille du ballast (Q2) qui agit en résistance variable pour maintenir sa tension de source égale à sa tension de grille diminuée de sa tension de pincement.
Le condensateur C1 se charge à travers la source du courant de 1 mA à raison de 1000 volts par seconde et par microfarad.
Soit 100V par seconde pour 10µF, 10V par seconde pour 100µF, etc ..
Il a pour double rôle de ralentir l'apparitionde la tension de sortie et de filtrer d'éventuels bruits résiduels.
Il doit supporter la tension de sortie.
La résistance R2 évite de faire débiter Q1 sur un court circuit à la mise sous tension lorsque C1 est compétement déchargé ce qui incidemment ajoute R2 * C1 secondes à la valeur estimée ci-dessus.
Il est inutile, voire dangereux, d'utiliser un condensateur de forte valeur à la sortie du régulateur malgré la présence de la zéner D1 destiné à limiter la tension inverse pouvant apparaître sur le ballast à la mise hors tension.
Un découplage de 1 µF MKP à proximité de la charge suffit dans tous les cas.

Plage d'utilisation

Le choix des deux MosFets est guidé par la tension et le courant souhaités.
La source de courant utilise un DN3545 qui accepte une tension Drain/Source (Vds) de 450V et dissipe 0,7W à 25°C d'ambiante. Il ne voit que la différence entre la tension d'entrée non régulée et la tension de sortie.
Avec un courant de 1mA, sa disspation sera de 450mW au maximum.

Un simple IRF820 en ballast supporte jusqu'à 500 Volts et peut passer 4 Ampères, mais certainement pas les deux simultanément. Il dissipera une puissance égale à la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie multipliée par le courant demandé par la charge.
Sans radiateur cette puissance est limitée à 1 Watt pour 60°C, elle peut friser une centaine de Watts moyennant un radiateur conséquant.

Tension de déchet

C'est la différence entre la tension d'entrée et celle régulée, valeur en dessous de laquelle le régulateur ne fonctionne plus correctement.
Elle est égale à la somme de la tension de pincement du ballast et de celle de la source de courant, respectivement 2 et 4 volts chacun, soit 6 volts au total.

Calcul de R

La valeur de la tension de sortie ne dépend que de la valeur de R dans laquelle circule un courant de 1mA, sa valeur sera donc de 1K Ohm par volt de sortie.
Le fractionnement de R permet d'obtenir plusieurs tensions de sortie:


Dans cet exemple R4 a été choisi plus grand que R5 afin de retarder l'apparition de 300V par rapport au 150V.

Calcul du Radiateur du Ballast

Ces calculs s'appliquent à un IRF820 et seront à transposer pour un autre MosFet.
Commencer par lire
ceci
La température maximale de jonction ne doit pas dépasser 150°C et la résistance thermique entre la jonction et le radiateur est de 1,56°C + 0,5°C + 0,4°C par Watt (somme de la résistance thermique jonction/boitier, boitier/radiateur avec interposition d'un isolant) soit 2,46°C par Watt au total.
Un exemple:
Soit à alimenter les quatre écrans de deux push pull de 807 sous 250 Volts à partir d'une source non régulée de 300 Volts.
Le courant en crète va atteindre 50mA et la différence de tension est de 50 Volts, d'où une puissance à dissiper de 2,5 Watts.
On choisit de faire fonctionner le ballast à 60°C jonction maximum pour assurer sa longévité ce qui, pour une température ambiante de 30°C donne une différence de 30°C. La résistance thermique du radiateur vis à vis de l'ambiante doit être: (30/2,5)-2,46 = 9,54°C/Watts ce qui correspond à tôle d'aluminium de 20cm², soit 4 * 5 cms environ.
Il suffirait de boulonner le ballast au chassis dans un endroit éloigné d'autres sources de chaleur.

Plus gros !
Deux 300B (single ended stéréo) demandent une tension anodique particulièrement propre du fait de leur faible impédance interne qui laisse apparaître pratiquement toute la résiduelle de filtrage aux bornes du transfo de sortie. Un seul volt crète à crète produit 0,33mW (42µW efficaces)dans une charge de 3K soit seulement 53dB en dessous de la puissance nominale (8W efficaces) qu'un tel tube peut fournir.
Le courant total des deux 300B et des drivers (autant qu'ils soient également régulés) serait de 150mA sous 350V. Pour une tension avant régulation de 400V, la puissance dissipée par le ballast sera de 7,5W, la résistance thermique du régulateur devra être:(30/7,5)-2,46 = 1,6°C/Watts, dans les même conditions que ci dessus mais seulement (50/7,5)-2,46 = 4,2°C/Watts en autorisant une température de jonction de 80°C.
Un radiateur de 80mm par 80mm avec des ailettes d'un seul côté convient (ex. ML25).

Tension négative et positive asservie

Pour réguler une tension négative un Mosfet canal P (Q1) est utilisé, ici un IRF9610 qui supporte 200 vols.
La source de courant (Q2) et sa résistance de mesure (R2) sont inversées comme représenté dans la partie inférieure du schéma ci dessous (sous la ligne "zéro volts") qui peut être utilsée seule.
R2 doit être 1000 * Vneg et sera si besoin ajustée pour obtenir précisément les -150 volts régulés.


Il est simple d'y adjoindre un régulateur positif asservi, la tension régulée positive devenant proportionnelle à la négative multipliée par le rapport R8 / R5.
Dans l'exemple, R8 = R5 et les tensions sont égales.
Avec R8 = 2 * R5, la tension positive serait le double de la tension négative soit 300 volts..
Avec R8 = R5 / 2, elle serait la moitié soit 75 volts.
Autrement dit, la valeur de R8 doit être: Vpos / Vneg * R5.
En effet, à leur point de jonction, une valeur négative rend Q3 moins conducteur ce qui augmente la tension sur la gate et donc sur la source de Q4.
A l'nverse, une valeur positve fait conduire Q3 ce qui en conséquence réduit la tension de gate de Q4 réduisant ainsi la valeur de la sortie positive.
Le dispositif s'équilibre donc pour une tension voisine de zéro (en fait la tension de seuil de Q3) à la liaison R5 R8.
R3, R4 et R7 associées à D1, D2 et D3 protègent les Mosfets contre des tensions de gate excessives.

A suivre . . .

Une "vraie" temporisation ...




Yves


Réalisations



Christophe Dedessus (Totof, membre AudioFan.org)

Schéma une sortie



* Noter le présence de "stopper" (R3) dans la gate du ballast ainsi que l'ajustage de la tension par R1.*

Circuit une sortie






Schéma deux sorties



* Noter le présence de "stoppers" (R7 et R8) dans les gates des ballasts ainsi que l'ajustage des tensions par R2.*




Circuit deux sorties




Les fichiers source "EAGLE"




Merci Totof pour ta contribution.