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Convertisseur de tension 12DC=>230AC


Caractéristiques principales


Tension d'entrée : 12 Vcc
Tension de sortie : 230 Vac
Puissance : 40 W


Présentation


Le présent convertisseur de tension permet de fournir du 230 V alternatif grâce à un transformateur classique 230V / 12V, à partir d'une tension continue de 12 V.



Il existe des convertisseurs de tension bien plus simples à réaliser, mais ces derniers souffrent de quelques petits défauts : rendement moindre et fréquence d'oscillation (normalement 50 Hz) pas très stable selon la température ambiante et/ou selon la consommation de la charge. Le schéma présenté ici est plus compliqué que les schémas plus simples (oser écrire des choses pareilles, je vous jure), mais la fréquence est stable et le rendement pas trop mauvais. La forme d'onde de la tension 230 V en sortie du transformateur n'est pas vraiment sinusoïdale, ce qui ne pose pas de problème pour les petits objets auquel ce montage se destine, à savoir rasoir électrique ou éclairage d'appoint. La puissance maximale que l'on est en droit d'attendre de ce montage avoisine les 40 W. Un autre projet du même genre, plus simple, à vu le jour, description en page Convertisseur tension 007. Rien ne vous empêche de combiner l'oscillateur à NE555 proposé ici avec l'étage de puissance simplifié du convertisseur de tension 007.



Avertissement


A lire impérativement
Je n'ai pas entièrement terminé ce projet. Les tests déjà réalisés montrent que le système fonctionne à vide, c'est à dire avec un transformateur raccordé au montage, mais sans charge côté 230 V. Pour la partie oscillateur, pas de soucis. Pour la partie puissance, je ne me prononce pas encore. Je mets néanmoins le schéma à disposition afin de présenter le principe de fonctionnement de l'ensemble. Pour ceux qui aiment le risque, je propose également un typon. Merci toutefois de ne pas tenter sa réalisation tant que je n'en n'ai pas dit plus ou si vous n'êtes vraiment pas sûr de vous. Ou alors si vous le faites, merci de ne pas venir râler si ça ne fonctionne pas comme souhaité.
Remarque : Ambroise M. a réalisé ce convertisseur et m'a fait un retour de ses tests, voir paragraphe Prototypes. 


Schéma


Dans le schéma qui suit, la partie du haut correspond à la section oscillateur et la partie du bas correspond à la section puissance.

Convertisseur tension 001


Section oscillateur

La section oscillateur est composée de deux sous-ensembles : un oscillateur de base produisant un signal périodique de fréquence 200 Hz, et un bloc diviseur par quatre, constitué de deux bascules D imposant chacune une division par deux, pour fournir un signal de fréquence 50 Hz. Un NE555 est utilisé pour l'oscillateur, et un CD4013 est utilisé pour la division de fréquence. L'utilisation d'un diviseur aurait pû être évité si l'oscillateur à NE555 était en mesure de produire directement un signal de 50 Hz avec un rapport cyclique de 50 % exactement. Ce que le NE555 ne permet pas de faire de façon très simple. L'utilisation d'une fréquence plus élevée que l'on divise ensuite demande un circuit intégré supplémentaire, mais permet d'obtenir un rapport cyclique de 50 % sans aucune difficulté et surtout sans besoin de réglage. Pourquoi 200 Hz divisé par 4 au lieu de 100 Hz divisé par 2 ? Bof, on a déjà le CI CD4013 qui intègre deux bascules, et faire fonctionner le NE555 à une fréquence de 200 Hz permet une légère amélioration de la stabilité en fréquence. Pas grand chose je vous l'accorde. Mais comme ça ne coûte absolument rien de plus, je préfère faire comme ça. Et pourquoi un rapport cyclique de 50 % tout juste ? Parce que c'est mieux pour le transformateur, un rapport cyclique différent de 50 % provoquant une tension moyenne non nulle, ce que n'aime pas ce genre de composant.


Section puissance

La commutation de la tension continue provenant de la batterie 12V se fait sous un courant qui est loin d'être négligeable. Si l'on utilise un transformateur 12V / 230V, le rapport des courants, qui est sensiblement égal au rapport des tensions, est voisin de 20. Cela signifie qu'une ampoule de 40 W connectée côté enroulement 230 V du transformateur, provoquera un courant de l'ordre de 3,33 A côté enroulement 12 V du transformateur. Vous comprennez dès lors que des transistors de type 2N2222 ou BC107 ne conviennent pas tout à fait pour la commande du transformateur. C'est pourquoi cette partie peut sembler un peu compliquée. On a besoin de transistors de puissance, capables de couper et rétablir des courants importants (de plusieurs ampères). Or, ces transistors eux-même ont besoin de courants assez élevés pour être commandés, et le courant fourni par les bascules D est loin d'être suffisant. Solution : ajouter des transistors "moyenne puissance" (2N1711) pour faire l'interface entre partie "faible puissance" (bascules D) et partie "forte puissance" (transistors TIPxxxx). Là aussi j'aurais pû simplifier un petit peu et supprimer deux transistors 2N1711, mais je n'avais pas envie. Mais pas du tout envie. Ne cherchez pas, ça fait partie de mes défauts (qu'on ne retrouve pas pour leconvertisseur tension 007 et dont on peut reprendre la partie puissance pour l'associer à l'oscillateur ici présent).


Les signaux aux points test

L'écran suivant montre l'allure et la phase des signaux que l'on doit retrouver aux divers points marqués des lettres A à D sur le schéma électronique.

Convertisseur tension 001 - Graphe 001

En A, le signal d'origine issu du NE555, à 200 Hz. En B, le signal divisé une fois par 2, ce qui donne donc 100 Hz. En C et D, les deux signaux 50 Hz en opposition de phase qui vont être amplifiés en courant pour l'attaque du transformateur.


Prototype


Deux prototypes réalisés, un par moi-même mais pas testé entièrement par faute de temps, l'autre réalisé par Ambroise.


Mon prototype

Pour le prototype, j'ai utilisé des 2N2219 au lieu des 2N1711 (NPN), des BD303 à la place des TIP3055 (NPN) et des BD304 à la place des TIP2955 (PNP). Pourquoi ? Parce que j'en avais plusieurs en stock et voulais voir ce que ça donnait. Les BD303 et BD304 sont moins costauds que les TIP3055 et TIP2955, mais il s'agit tout de même de petites bêtes capable d'encaisser quelques paires d'ampères sans broncher (8 A au lieu de 15 A pour les autres). 

conv_12v_230v_001_proto_001


Prototype d'Ambroise

Le prototype d'Ambroise fonctionne mais pas au mieux. Comme il y a passé beaucoup de temps (divers tests avec changement de valeur de quelques résistances), je pense que mon schéma n'est pas tout à fait au point. Il faut dire (pour rappel) que dans mon proto, je n'ai pas utilisé les transistors du schéma. Voici son résumé, qu'il m'a autorisé à publier.

Transformateur étrier 2 x 6 V / 72 VA. Batterie 12 V 53 Ah. Fusible 4A

conv_tension_007_proto_am_001a conv_tension_007_proto_am_001b conv_tension_007_proto_am_001c 

Première situation:
-Ajout résistance 100 Ohm en série avec la base des TIP2955
-R10 et R11 passent à 39 Ohm
-R5 et R8 passent à 1 kO
Résultat à vide: très proche de 230 V
Résultat ampoule 7,5 W : 225 V
Résultat ampoule 25 W : 190 V
L'échauffement des transistors est bien réparti. On dépasse les 0,6 V de commutation entre B/E sur tous les transistors.
Deuxième situation:
-résistance de 70 Ohm en série avec la base des TIP2955
-R10 et R11 restent à 39 Ohm
-R5 et R8 repassent à 3K3
-Passage de R3 et R7 à 100 Ohm 2W
Résultat à vide: très proche de 230 V, 13,7 V au primaire.
Résultat ampoule 25 W : 200 V
Résultat ampoule 40 W : 180 V, 12 V au primaire.
L'échauffement des transistors est toujours bien réparti. On arrive près des spécifications typiques des fabricants pour la tension entre B/E des transistors.
Troisième situation:
-toujours 70 Ohm en série avec la base des TIP2955
-R10 et R11 reviennent à 100 Ohm
-toujours 3K3 pour R5 et R8
-Passage de R3 et R7 à 56 Ohm
Résultat à vide: très proche de 230 V, 13,6 V au primaire.
Résultat ampoule 7,5 W : 226 V
Résultat ampoule 25 W : 213 V, 12,6 V au primaire.
Résultat ampoule 40 W : 188 V, 11 V au primaire.
Les TIP3055 s'échauffent un peu plus vite que le reste. Les 2N1711 s'échauffent un peu plus à vide. En charge 40 W, la tension B/E est au maximum fabricant sur tous les transistors.
Consommation sur la batterie:
A vide : 0,7 A
Ampoule 7,5 W : 1,4 A
Ampoule 25 W : 2,4 A
Ampoule 40 W : 3,3 A
Conclusion
Je pense que le fonctionnement n'est pas mauvais pour la deuxième situation et je pense conserver ces valeurs à l'usage. Le montage permet d'utiliser une ampoule 25 W aux trois quarts de sa luminosité, c'est déjà pas mal. La 40W n'est qu'au tiers de sa luminosité dans la situation 3, échauffe beaucoup les transistors et éclaire moins que la 25 W, un gros radiateur est nécessaire si utilisation prolongée (plus de 5 min). Il faut revoir la charge à la baisse, les transistors "résistent" trop. C'était super intéressant à construire et le fonctionnement est validé, sauf que les transistors "résistent" beaucoup. La section puissance du convertisseur 007 est sans doute plus efficiente (et économique financièrement!), je vais tenter de la réaliser si j'ai le temps en gardant l'oscillateur de ce montage (je suis un peu allergique aux PICs).
Avertissement
Même sans transfo, la tension 12V alternative aux points de commande (et donc sur les boîtiers des transistors qui sont reliés à leur collecteur) sonne méchamment si l'on touche deux transistors simultanément, donc je ne me referais jamais avoir!!! Il faut arrêter le montage pour vérifier la température des transistors, c'est impératif.

Merci beaucoup pour ce retour détaillé ! Je me demande si je n'ai pas simplement sous-estimé la perte dans les transistors de sortie. Sans doute aurais-je du opter pour un transfo d'alim 9 V et non 12 V, comme je l'ai d'ailleurs fait ailleurs...


Essai à 400 Hz

Suite à une discussion sur un forum technique, je me suis décidé d'essayer le proto à une fréquence de 400 Hz au lieu de 50 Hz, en remplaçant le condensateur C1 de 82 nF par un de 10 nF. La limitation de courant, fixée à 1,5 A (fonctionnement à vide) à fonctionnée tout de suite. J'ai poussé la limitation à deux 2 A, mais ça limitait encore. Je n'ai donc pas insisté, ça ne fonctionnait pas avec le transfo utilisé.


Circuit imprimé


Le circuit imprimé comporte quelques straps il est vrai. Mais savez-vous que les straps sont autorisés dans les réalisations électroniques ? A l'école, peut-être pas toujours parce que les profs attendent de vous quelques gymnastiques cérébrales, mais parfois les straps sont plus conseillés que des détours de pistes à n'en plus finir...

conv_tension_001_pcb_composants


Très important : il est plus que conseillé (sinon impératif) de couvrir d'une bonne couche de sourdure toutes les pistes de cuivre qui sont larges et qui font partie de la section de puissance. Sur le dessin ci-avant, ce sont les pistes qui sont situées "au-dessus" des transistors de puissance (connexion vers connecteur BAT1). Et avant tout essai, il est impératif de vérifier l'absence de court-circuit entre les diverses pistes du circuit imprimé. Si vous avez la chance de posséder une alimentation secteur avec limitation de courant, réglez la limite max à 500 mA.


Essais

Préparation

1 - Insérer un fusible dans la ligne d'alimentation positive de la batterie 12 V, c'est obligatoire. Si vous ne le faites pas, les risques d'endommagement des composants du circuit et/ou du transformateur en cas de problème ou simple surconsommation côté charge, seront très grands. Pour les premiers essais, utiliser un fusible de 630 mA ou de 1 A.
2 - Dans l'immédiat, ne pas raccorder le transformateur sur la sortie puissance.
3 - Connecter tête-bêche deux LEDs ayant chacune leur résistance série de limitation de courant (résistances 510 ohms à 1,2 kO), sur la sortie puissance (là où le transformateur sera relié par la suite), comme l'indique le schéma suivant. 

conv_tension_001z


Mise sous tension

Dès la mise sous tension du convertisseur, les deux LEDs doivent s'allumer en scintillant légèrement, indiquant que le montage fonctionne correctement. Si au moins une LED ne s'allume pas, cela signifie qu'il y a un problème : les transistors de sortie ne commutent pas, il y a un soucis au niveau de l'oscillateur ou au niveau de l'étage de puissance. Si le montage ne sent pas le chaud, et si vous pouvez toucher du doigt tous les composants sans vous brûler (faites attention), laisser le montage sous tension, et mesurer au voltmètre, calibre 20 V continu, la tension présente sur la borne 3 du NE555. Si ce dernier oscille, la tension lue doit être comprise entre 3 V et 9 V environ. Si vous mesurez en borne 3 du NE555 une tension proche de 0 V ou proche de 12 V, c'est qu'il n'oscille pas, et il faut vérifier tout ce qu'il y a autour de ce CI. Si le NE555 oscille, vérifier la tension sur la borne 1 de la première bascule D (point noté B), et faites de même sur la borne 13 de la seconde bascule D (point noté C). Pour ces deux derniers points de mesure (aux points B et C), vous devez lire une tension de l'ordre de 6 V (moyennage de la tension alternative oscillant entre 0 V et 12 V). Si tout est bon à ce stade, c'est que le problème se situe au niveau de l'étage de puissance. Vous devez alors mesurer la tension aux points C' et D', sur lesquels là aussi une tension proche de 6 V doit être relevée. 

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