conception de l'alimentation linéaire des DACs
Cette page liste les justifications des choix effectués pour alimenter les convertisseurs Numérique/Analogique du Behringer DCX2496
Ensemble transfo redresseur devant fournir le 12 Vdc non régulé
Il faut tenir compte de :
- la chute de tension du secondaire transfo lorsque celui-ci est en charge nominale ;
- la tolérance min de tension du réseau électrique ;
- la chute de deux fois la barrière de potentiel d'un redresseur monté en pont de Graetz;
- le calcul de U moyen redressé par rapport à U efficace et U max (valeur de crête) ;
- l'exponentielle de décharge du circuit de filtrage en fonction de la valeur de capacité de filtrage, du courant de charge nominale et de la pulsation (redressement double alternance donne pulsation de 2 fois la fréquence du réseau) ;
- la tension de drop minimale admissible du régulateur (ici, 3 V conseillé pour un LM317).
Tout ceci est du domaine connu et abordable par un concepteur d'alimentation non régulée. Le cahier des charges est 12 V dc minimum garanti, y compris en instantané, en tenant compte de ce qui est évoqué plus haut et en fonction du courant réel consommé en amont des circuits de régulation. Il est sage de prévoir un coefficient de sécurité sur la valeur du courant nominal que doit fournir cette partie de l'alimentation.
Redressement
Double alternance en pont de Graetz, soit avec 4 diodes, soit avec un pont diode. Cela reste au choix. Cependant, il est loisible de choisir des diodes plus performantes que des ponts redresseurs mono-composant. Ces diodes seraient choisies avec une caractéristique de faible temps de recouvrement inverse, ainsi, on diminue les risques de rayonnement parasite dû aux pointes de courant de commutation des diodes.
Filtrage
Celui-ci doit être suffisant pour admettre un "ripple" (taux ondulatoire résiduel) maximum admissible.Le ripple est fonction du courant nominal en charge. La valeur maximale admissible est calculée en fonction :
- du taux de régulation du régulateur ;
- du taux de réjection d'alimentation des amplis OP (PSRR : power supply rejection ratio) ;
- du rapport signal bruit souhaité (confer bruit ajouté sur le signal à cause du bruit d'alim).
Raisons de la présence de certains composants prévus dans le design de la partie régulation d'alim
VK200 en entrée de la régulation pour le découplage des HF induites dans les lignes de connexion entre sous-ensemble externe à la régulation, c'est à dire :
- le rayonnement de l'alim à découpage ;
- parasite transitant par la capacité entre enroulement primaire et secondaire du transfo, sauf si celui-ci est pourvu d'un écran électrostatique relié au PE (protective earth) ;
- reliquat du bruit de commutation des diodes du redresseur ;
- reliquat des HF non filtrées par un condensateur de forte capacité (self induction parasite de tels condensateurs) ;
- reliquat d'effet de résonance HF formé par le circuit grosse capa (à self parasite) et découplage 100 nF céramique, cet ensemble formant un circuit résonnant ;
- rayonnements directs de HF induite sur l'ensemble électronique. Celui-ci provient de tout systèmes communicants environnants : interphonie radio, GSM, relais locaux pour GSM, base de temps d'ordinateurs (clock), lignes de réseaux entre ordinateurs, émetteur CB, émetteur de radio-diffusion ou de télé-diffusion publique ou privée, radio FM sonores locales proches de l'habitat privé. - faut-il allonger la liste ? De la HF, il y en a partout, et les organismes ayant rédigé toutes les directives d'exigence de compatibilité électromagnétiques l'ont bien compris depuis des quelques années. Ceci dit, on peut préférer une perle ferrite pour une question d'approvisionnement, d'encombrement, de coût ou autre raison ; au choix.
Diode 1N4148 : oui cette diode est une diode de signal, et oui cette diode est une diode de protection dans le montage proposé. Raisons :
- temps de commutation rapide : c'est l'effet recherché. Si l'on veut protéger un semi-conducteur, il y a lieu de le faire en mettant en oeuvre un composant plus rapide que celui de l'effet potentiel destructeur du semi-conducteur à protéger. En général, les composants plus rapides que les circuits intégrés sont les composants discrets (transistor, diode, "transient suppressor", "fast switching diode" etc.).
- la diode 1N4148 ne doit pas drainer des courants nominaux importants et permanents. En revanche, cette diode est dotée d'un excellent comportement aux brèves pointes de courants. Le courant nominal de 100 mA est suffisant pour notre application. Une diode 1N4007 a une caractéristique de courant nominal de 1 A, certes, mais n'est pas aussi rapide qu'une diode 1N4148.
Diode 1N4148 en entrée : il peut paraître illusoire que cette diode soit une protection contre les inversions de polarités de branchement d'alimentation en amont des régulateurs. C'est exact. Dans ce cas, on aurait préféré utiliser une diode 1N5408 ou équivalente. Si l'on veut mettre en oeuvre un dispositif de protection d'inversion de polarité, on peut préférer de placer une diode shottky de puissance en série avec la branche d'alimentation, une telle diode a la propriété de présenter une très faible valeur de barrière de potentiel (faible tension de "drop"). La diode 1N4148 a pour but de protéger le régulateur de faibles et brèves tensions négatives à l'entrée du régulateur. Comment cela peut-il arriver ? Cela arrive quand il se produit accidentellement (volontairement ou involontairement) un court-circuit franc en amont d'alimentation : la capa électrolytique de filtrage se recharge un bref instant "à l'envers" à cause de sa self parasite. Si, si, on a déjà tout vu, spécialement en cours d'expérimentation.
1N4148 entre entrée et sortie du régulateur, 1N4148 en parallèle sur 100 ohms : on ne peut présumer dans un montage qu'en final, la capacité en aval des régulateurs soit inférieure à celle du filtrage. Mais - et c'est cela la principale raison - en cas de court-circuit en amont, la décharge du circuit amont est évidemment plus rapide que le circuit aval comportant de nombreux découplages. En outre, un condensateur de filtrage vieillit statistiquement plus vite que certains découplages, il peut à terme se mettre en court-circuit ; il se produit dès lors une décharge plus rapide en amont qu'en aval. Un raisonnement similaire s'applique en cas de court-circuit accidentel en aval des régulateurs. Ainsi, l'entrée de commande du régulateur est protégée contre tout courant inverse. Il ne s'agit en aucun cas d'une question de caractéristique dynamique de la diode.
Capa tantale à l'entrée du régulateur : il s'agit d'un découplage BF placé au plus près du composant régulateur. Cela n'est pas une question de filtrage après redressement. Le découplage HF à l'entrée du régulateur (toujours placé au plus près de celui-ci) est réalisé au moyen de la capa de 100 nF en parallèle sur la capa tantale.
De quelle source d'énergie électrique est issu le +5V_A ? Le 5 Volts est obtenu, par l'intermédiaire d'un régulateur, à partir d'un potentiel d'alimentation de 8 V régulé. Le 8 Volts est obtenu, par l'intermédiaire d'un pré-régulateur, à partir d'un potentiel d'alimentation de 12 V min non régulé.
Pourquoi un LM317 et non pas un "LDO" (low dropout voltage regulator) ? Le LM317 est un régulateur linéaire et à faible bruit. Ce n'est pas toujours le cas des LDO. Certes, il y a moyen de choisir un LDO moderne et performant au point de vue bruit, mais on se heurte très vite à certaines difficultés d'approvisionnement à la pièce pour de tels types de composants. La tendance actuelle des constructeurs de ces composants est de prévoir un design SMD pour les LDO et sont donc souvent uniquement disponibles en tape-reel de 1000 ou 3000 pièces. Un bon vieux LM317 correspond mieux à une réalisation de passionné. Ceci dit, des grandes marques prestigieuses de matériel professionnel audio équipant des studios d'enregistrement ou de stations de radio-diffusion préfère encore actuellement choisir un LM317, bien sûr pour ses qualités de faible bruit, mais aussi pour son excellente réputation de fiabilité dans le temps, et constance de qualité de fabrication. Pas de surprise.
Conclusions
Il n'y a pas de vérité absolue. On peut faire certains choix plutôt que d'autres, on peut mettre en oeuvre un certain nombre de précautions, ou pas, avec plus ou moins de risque calculé. Chacun se fixe ses limites. Celles-ci ne sont pas toujours d'ordre économique dans le cadre d'une activité de loisir, et surtout dans le cadre d'un équipement fabriqué à la pièce ou en faible série de quelques exemplaires. Le raisonnement serait tout autre s'il s'agissait d'un contexte de fabrication industrielle d'appareils destinés à des utilisateurs consommateurs. Dans ce cas, le moindre composant économisé se répercute directement dans des proportions non négligeables, et ceci, dans un contexte économique agressif.