Une double alimentation HT à tubes




Caractéristiques

Posons le problème : lorsque nous essayons un montage comportant des tubes, il nous faut une tension élevée pour alimenter les anodes et les écrans, une tension de chauffage pour les filaments et aussi parfois une tension négative de polarisation. Mais nous pouvons dès le départ prévoir plus ; en effet, on a besoin parfois de deux tensions élevées , et quelquefois, les tubes utilisés sont à chauffage direct, il nous faut donc une tension de chauffage continue. De plus, pour éviter d'avoir à intégrer des voltmètres coûteux dans notre alimentation, nous n'allons pas faire varier les tensions à l'aide de potentiomètres, mais grâce à des commutateurs. Nous choisirons donc les valeurs les plus courantes pour les différentes positions des commutateurs.

Les intensités admissibles seront choisies afin de pouvoir répondre à la majorité des besoins. Les caractéristiques de l'alimentation seront donc les suivantes :

     - 2 alimentations haute tension totalement indépendantes, programmables en tension parmi les valeurs : 120 / 140 / 160 / 180 / 200 / 220 / 250 / 270 / 300 / 350 / 400V , intensité maximale de court-circuit 200 mA (nominale : 100 mA). Ces 2 alimentations peuvent être mises en parallèle grâce à un simple interrupteur.

     - 1 alimentation de polarisation, faible intensité, programmable en tension parmi les valeurs : -5 / -7 / -9 / -12 / -15 / -20 / -25 / -35 / -45 / -60 / -80V. Cette tension est couplée à une des alimentations haute tension (0V commun).

     - 1 alimentation de chauffage pour la série E (6,3V) en alternatif, intensité maximale : 3A.

     - 1 alimentation de chauffage continu, programmable en tension parmi les valeurs : 1,4 / 1,7 / 2 / 2,4 / 2,8 / 3,4 / 4 / 4,7 / 5,6V, intensité maximale : 1,5A

Principes des circuits

Pour obtenir des tensions constantes quelque soit la charge, il faut absolument utiliser des régulateurs de tension. Pour l'alimentation continue de chauffage, donc en tensions faibles, nous utiliserons un régulateur moderne, en circuit intégré ; par contre, pour les deux alimentations haute tension, nous utiliserons des circuits comportant des tubes électroniques. Pour la tension de polarisation, quant à elle, vu la faible intensité nécessaire, une simple stabilisation à diodes zener sera adoptée.

1. circuit de chauffage

La régulation est assurée par un circuit intégré de type LM317K (boîtier TO3) ou LM317T (boîtier TO220), qui procure une intensité maximale de 1,5A. Ce régulateur est à tension ajustable, grâce à un pont diviseur de tension branché sur la sortie. La résistance de 120 ohm entre sortie (Vout) et entrée d'ajustement (Adj) est la valeur préconisée par le constructeur. La tension à ses bornes est une constante pour le circuit intégré : 1,25V. La deuxième résistance, R, branchée entre la borne Adj et la masse, détermine alors la tension de sortie, conformément à la formule : Vs=1,25*(1+R/120) ou bien : Vs=1,25+R/96

Il suffit alors de faire varier R pour faire varier la tension de sortie.



(Fig. 1300) régulateur LM317

Pour notre alimentation, nous allons faire varier R grâce à une chaîne de résistances en série et un commutateur qui va venir connecter un point de la chaîne à la masse, mettant en circuit une résistance plus ou moins grande.

Pour que ce régulateur fonctionne correctement, la différence de tension entre Vin et Vout doit être au moins de 3V. Si nous voulons une tension maximale de 5,6V, nous devrons alors avoir au moins 8,6V en entrée.

Avec un enroulement secondaire de 7,5V, nous obtiendrons après redressement, compte tenu des chutes de tension amenées par les diodes du pont, environ 9,2V (7,5*1,4-2*1,4) ce qui est suffisant. Le condensateur de filtrage devra être choisi suffisamment grand afin que l'ondulation résiduelle n'amène pas la tension Vin en-dessous de 8,6V. En pratique, une valeur de 4700µF est suffisante, pour l'intensité prévue.



(Fig. 1301) alimentation de tension de chauffage

Ajoutons que ce régulateur est protégé contre les surintensités et contre les surchauffes. On aura intérêt néanmoins à le monter sur un petit dissipateur.

2. circuits haute tension

La régulation des hautes tensions fait appel à 2 tubes, une triode de puissance, utilisée en résistance variable, et une pentode utilisée en comparateur de tension



(Fig. 1302) régulateur haute tension

Si la pentode P est bloquée, aucun courant de peut entrer par son anode, donc la triode T voit sa grille portée au même potentiel que sa cathode par la résistance R : elle débite alors au maximum, sa résistance équivalente est minimale, la tension Vs est très élevée, proche de la tension +Uo (moins la chute de tension dans la triode T due à l'intensité dans la charge. Si au contraire la pentode P est très conductrice, le potentiel de grille de la triode T va baisser, pour tendre vers la tension +REF, la triode T va être très peu conductrice, la tension Vs va baisser et tendre vers 0.

La pentode P compare en permanence la tension présente sur sa grille 1, issue du pont diviseur R1-R2 branché en sortie, et la tension sur sa cathode, +REF, supposée constante. Si la tension Vs a tendance à augmenter (par suite d'une diminution de l'intensité dans la charge par exemple), la tension sur la grille 1 de la pentode P va elle aussi augmenter ; la polarisation de la pentode va donc diminuer, l'intensité anodique de celle-ci va augmenter, faisant baisser le potentiel de grille de la triode qui va donc devenir moins conductrice, contrebalançant l'augmentation de la tension de sortie. Un raisonnement analogue permet de vérifier que dans le cas d'une diminution de Vs, la régulation fait en sorte que celle-ci sera compensée. La tension de sortie Vs est donc indépendante de l'intensité consommée par la charge.

Cependant, ceci est vrai à plusieurs conditions :

     - la tension +REF doit être constante
     - la tension VG2 doit être constante aussi
     - la tension Vs doit être suffisamment inférieure à +Uo, pour que la triode soit alimentée correctement
     - l'intensité maximale dans la charge doit être limitée à l'intensité pouvant traverser la triode T
la tension Vs minimale doit être de l'ordre de VG2+REF.


En fonctionnement normal, si on désire que Vs puisse varier de 120 à 400V, il faut que +Uo soit de l'ordre de 500V, +REF de l'ordre de 40V et VG2 de l'ordre de 90V. Dès lors, la pentode utilisée fait qu'il existe toujours une polarisation de 3V entre grille 1 et cathode de la pentode, et donc, la tension de sortie Vs est donnée par la formule : Vs=(+REF-3)*(1+R1/R2)

Il suffit alors de faire varier R1 ou R2 pour faire varier Vs. On peut remarquer une certaine analogie avec la figure 1300.

Pour obtenir la tension +Uo de 500V, nous préférerons utiliser un redresseur doubleur de tension



(Fig. 1303) doubleur de tension

La tension UA de l'ordre de 180V suffit à obtenir 500V après redressement (Uo=2*1,4*UA). Les condensateurs C devront pouvoir supporter 300V chacun, les diodes D seront prévues pour 1000V inverse (1N4007).

3. circuit de polarisation

La tension de polarisation nécessite un circuit plus simple ; en effet, les intensités demandées (normalement nulles puisque servant à polariser les tubes du circuit à alimenter) font qu'une simple stabilisation suffit. Le schéma est des plus simples



(Fig. 1304) stabilisateur de tension de polarisation

Un redressement simple alternance (D), un filtrage sommaire (C), fournissent une tension négative qu'on stabilise grâce à la diode zener Z polarisée avec la résistance RP. La tension aux bornes de la diode zener est choisie légèrement supérieure à la tension maximale désirée (environ 85V). Une chaîne de résistances forme un pont diviseur de tension, le commutateur permet de choisir la tension désirée. RF et CF forme un filtre qui permet de supprimer toute résiduelle de secteur, RF limitant aussi l'intensité en cas de court-circuit de la sortie.

Analyse du schéma

Sur la figure 1305, nous voyons les circuits des régulateurs haute tension.



(Fig. 1305) alimentations HT

Nous remarquons 2 parties sensiblement identiques qui ne diffèrent que par les connexions du relais REL1. Etudions tout d'abord la partie supérieure du schéma. Nous reconnaissons la pentode de comparaison L3 ; le tube L1 est une pentode montée en triode (Grille 2 et anode reliées). Le pont diviseur de tension de sortie est formé de la chaîne de résistances (R7 à R27) de laquelle une partie est mise en circuit par le commutateur à 11 positions, et de la résistance R5 en série avec la résistance variable RV1. Le commutateur permettra donc de choisir la tension de sortie, la résistance variable, accessible seulement à l'intérieur du boîtier, permettra d'ajuster la tension, afin de compenser l'usure des tubes. R1 est la résistance de fuite de grille de la triode L1. Les tensions VG2 et +REF sont fabriquées grâce à deux diodes zener D5 et D7, polarisées par la résistance R3, à partir de la tension +Uo de 500V. Cette tension est fournie par le redresseur doubleur D1/D3/C1/C3. Le circuit nécessite donc une tension alternative de 180V, ainsi qu'une tension alternative de 6,3V pour le chauffage des lampes. En sortie, le condensateur C5 offre une faible impédance en HF lors de l'alimentation de circuits HF.

La partie inférieure ne diffère que par l'adjonction du relais REL1. Lorsque celui-ci est au repos, les 2 circuits sont totalement indépendants : non reliés galvaniquement, ils peuvent être mis en série, pour générer une tension de +250V et une de +450V par exemple, ou connectés avec 0V commun, pour générer une tension de +150 et une de +270V. Lorsque le relais est activé, les contacts Kb et Kc se ferment, mettant en parallèle les bornes de sortie des 2 circuits, et le contact Ka change de position, reliant la grille de L2 à celle de L1. Les 2 tubes L1 et L2 sont donc en parallèle, doublant ainsi l'intensité disponible en sortie.

La figure 1306 représente l'alimentation de chauffage et celle de polarisation.



(Fig. 1306) alimentations chauffage et polarisation

Tout en haut, nous trouvons le circuit de chauffage extérieur en alternatif : la sortie 6,3V 3A du transformateur est connectée aux 2 prises F et F' de la face avant. La partie centrale montre le régulateur de la tension de chauffage. Le redressement en pont permet d'obtenir une tension de l'ordre de 9V aux bornes de C7. La tension de sortie est choisie grâce au commutateur qui met en service un certain nombre de résistances de la chaîne R30 à R38.

Nous remarquons le circuit de commande du relais REL1 qui est simplement formé de la bobine de ce relais et d'un interrupteur situé en face avant. La manœuvre de cet interrupteur permet de passer du mode indépendant au mode parallèle des alimentations haute tension.

La partie inférieure de la figure représente l'alimentation de polarisation et n'appelle pas plus de commentaire.

La figure 1307 montre le détails des enroulements du transformateur d'alimentation, ainsi que les connexions aux différents circuits.



(Fig. 1307) transformateur

Construction

La construction de notre alimentation ne pose pas de problème particulier. Cependant, le composant le plus critique est le transformateur. En effet, les tensions délivrées par celui-ci doivent impérativement être celles prévues sous peine d'avoir des performances dégradées. Une des méthodes consiste à diviser ce transformateur en plusieurs transformateurs : il est plus facile actuellement de trouver des transformateurs à secondaire simple, voire double ; les transformateurs à secondaires multiples largement utilisés autrefois dans les téléviseurs sont pratiquement abandonnés.

Une autre méthode consiste à bobiner (ou à faire bobiner) le transformateur. Les problèmes sont alors l'approvisionnement de toutes les matières premières (fil de cuivre, tôles, carcasses, isolants …) Un bon compromis consiste à utiliser un transformateur existant, à débobiner les secondaires en gardant le primaire, et à rebobiner les secondaires désirés. Le travail est tout à fait réalisable par l'amateur, en procédant avec soin et rigueur. C'est cette méthode que nous allons utiliser.

1. le transformateur

Avant tout, il faut déterminer les caractéristiques voulues du transformateur. Pour cela, il faut dresser une liste des tensions nécessaires au circuit.

 E1  (tension non régulée de la section 1) : 500V continus sous 100 mA
 E2  (tension non régulée de la section 2) : 500V continus sous 100 mA
 E3  (polarisation, section 1) : 110V continus sous 10 mA
 E4  (chauffage lampes section 1) : 6,3V alternatifs sous 2A
 E5  (chauffage lampes section 2) : 6,3V alternatifs sous 2A
 E6  (chauffage lampes extérieures) : 6,3V alternatifs sous 3A
 E7  (chauffage lampes extérieures batteries) : 9V continus, au moins, sous 1,5A, à l'entrée du régulateur .


A partir de ces tensions, il faut déterminer les tensions et intensités nécessaires de chacun des enroulements (valeurs en charge, compte tenu des chutes de tension dans les enroulements :


 S1  180V / 300 mA (le redressement est confié à un doubleur de tension)
 S2  idem S1
 S3  80V / 10mA (redressement simple alternance)
 S4  7V / 2A
 S5  idem S4
 S6  7V / 3A
 S7  8V / 1,5A


Ces caractéristiques permettent de faire bobiner le transformateur. Cependant, dans notre cas où l'on veut utiliser un transformateur existant, nous devons aller plus loin dans la description du transformateur. Tout d'abord, il faut connaître sa puissance apparente. Pour cela, il faut comptabiliser les puissances utiles au secondaire :

 S1   54W 
 S2   54W 
 S3   <1W 
 S4   14W 
 S5   14W 
 S6   21W 
 S7   12W 
 Total   170W environ 


Pour ce genre de transformateur, on peut tabler sur un rendement de 95%, cela veut dire qu'il aura une puissance apparente au primaire de : 170 * 1,05 = 180VA environ.

Cette puissance détermine alors toute la géométrie du transformateur. La section du noyau magnétique est donnée par la formule : P = S² / 1,75 (P en VA, S en cm²).

Pour 180VA, on trouve une section apparente de 17,8 cm². Les transformateurs qui conviennent pourront être formés de tôles en E dont la plus grande dimension est de 108 mm, empilées sur une hauteur de 50 mm. Dans ce cas, la largeur de la branche centrale du E est de 36 mm, multipliée par 50 mm, cela donne une section de 18 cm². Conclusion : il faut récupérer un transformateur dont les dimensions de fer sont : 108 x 90 x 50 mm (transformateurs d'alimentation de téléviseurs). Ce transformateur doit être démontable, c'est-à-dire que les tôles ne doivent pas être soudées entre elles mais boulonnées et surtout, que le bobinage ne soit pas imprégné, car sinon, le fil ne sera pas récupérable et le débobinage risque d'être difficile.

Avant de démonter le transformateur, il faut absolument relever les tensions secondaires qu'il fournit. On règle le répartiteur (quand il y en a un) sur 230V si cette position existe (sinon on prend une position approchante), on relie l'enroulement primaire au secteur et on relève avec soin les tensions des secondaires en repérant les cosses d'accès (faire un schéma !).

On peut alors démonter le transfo : On débranche les fils allant au répartiteur, en les repérant bien pour le remontage ; puis on déboulonne les tôles et on les chasse de part et d'autre de la carcasse (c'est la première qui est la plus difficile, attention de ne pas détériorer la carcasse).





Lorsque toutes les tôles sont enlevées, il ne reste que la carcasse. On enlève la couche d'isolant (carton) et on découvre un premier bobinage (qui est en fait, le dernier bobiné). Il s'agit alors de débobiner correctement, en enroulant au fur et à mesure le fil sur un cylindre de grand diamètre (boite de conserve) afin de pouvoir le récupérer (pas forcément pour ce transfo, mais peut-être un jour pour un autre !), et surtout, en comptant les tours !

A la fin de cet enroulement (ou bien lorsqu'on rencontre une prise, cela arrive), on note le nombre de tours en face de la tension trouvée, sur le schéma indiquant les cosses concernées.

On répète l'opération jusqu'au dernier secondaire (en fait, le premier bobiné). On conserve le primaire.

On peut alors déterminer la constante du transformateur : c'est le rapport entre le nombre de tours et la tension. On calcule donc pour chacun des enroulements ce rapport. Pour un transfo de 180VA, on doit trouver environ 2,6 tours par volt. (donc pour 100V, on doit avoir 260 tours environ)

On peut maintenant déterminer les caractéristiques exactes des enroulements, compte tenu de cette constante, des intensités nécessaires et des pertes dans les fils (on compte 5% de chute de tension en charge, et 4A par mm² de section dans les fils de cuivre) ; on trouve alors (k=2,6) :

 S1,S2  491 tours 3/10 (normalement, 2*4 couches en utilisant une carcasse de 50 mm de large)
 S3  220 tours 16/100 (1 seule couche)
 S4,S5  19 tours 8/10 (les 2 sur une couche, côte à côte)
 S6  19 tours 10/10
 S7  21 tours 7/10 (S6 et S7 sur une seule couche)


Bien entendu, si votre transfo n'a pas une constante de 2,6 , il faut faire une proportion ; supposons que la constante mesurée soit de 2,5 il faut faire pour S1 et S2, par exemple : 491*2,5/2,6 ce qui donne 472 tours.

Les diamètres de fil sont à respecter si possible, cependant, du 35/100 à la place du 3/10 conviendra aussi ; mais il ne faudra pas trop augmenter les sections au risque de ne pas avoir assez de place dans la carcasse ! Surtout, ne pas diminuer ces sections sous peine de surchauffe et de chutes de tension inacceptables !

Le rebobinage est plus fastidieux que le débobinage, mais pas impossible. Quelques règles sont à respecter :

Lorsque les 7 enroulements sont faits, il faut remonter les tôles. On commence par les E, en les croisant.







Le dernier E va être difficile voire impossible à mettre : tant pis, on ne le met pas ! On insère alors les I.



Lorsque toutes les tôles sont mises, il faut tapoter (au marteau) afin de former un beau cube : les tôles doivent être alignées. Puis, on boulonne, et on serre fortement.



Si après serrage, il y a un jour entre le noyau et la carcasse, on peut interposer une cale en bois dur, taillée en biseau afin de bien bloquer la carcasse.

Voici le moment de vérité … on branche le secteur au primaire et on vérifie les tensions des secondaires. On doit trouver un peu plus que les valeurs escomptées, c'est normal, puisqu'il n'y pas de charge.

2. circuits

L'ensemble des circuits peut être avantageusement découpé en fonction, afin de faciliter l'intégration dans un boîtier. Voici un exemple de découpage :



(Fig. 1308) mécanique



(Fig. 1309) variante du doubleur de tension

Vérification des performances

La vérification du bon fonctionnement est des plus simples : un simple voltmètre suffit ! Avant de mettre sous tension, on inspectera tout afin d'éviter tout court-circuit, surtout dans les circuits de haute tension. Attention au sens de branchements des condensateurs polarisés : à l'envers, ce sont de véritables bombes !

Rappelons que les tensions présentes dans le circuit présentent un grave danger. Procéder aux mesures avec une très grande précaution, éviter d'avoir une main de libre ; pour cela, lors des mesures de tensions, relier le - du voltmètre à la référence de potentiel de l'alimentation à mesurer, puis d'une main on amène le + du voltmètre sur l'équipotentielle que l'on veut mesurer, tout en gardant l'autre main dans la poche. Eviter aussi les positions scabreuses : prendre sont temps dans le positionnement de la maquette, des instruments de mesure et de son propre corps. Il faut se sentir à l'aise, mais pas trop décontracté : penser toujours aux volts ! !






Améliorations, modifications

Cette alimentation, telle quelle, nous rendra de bons services. Cependant, on pourra toujours l'améliorer ; voici les modifications et améliorations possibles :



Nomenclature de l'alimentation HT



Résistances (1/4W carbone, sauf indications)

    R1,R2 : 330K
    R3,R4 : 330K 2W
    R5,R6 : 180K
    R7,R8 : 400K (2x200K en série)
    R9…R18, R21,R22 : 100K
    R19,R20,R23,R24 : 150K
    R25…R28 : 250K (100K et 150K en série)
    R29 : 120
    R30 : 15
    R31 : 27
    R32 : 30
    R33,R34 : 39
    R35,R36 : 56
    R37 : 68
    R38 : 150
    R39 : 3,3K
    R40,R42 : 10K
    R41 : 4K (2x2K en série)
    R43 : 7,5K (2x15K en parallèle)
    R44,R45 : 5K (2x10K en parallèle)
    R46,R47,R52 : 2,5K (1K et 1,5K en série)
    R48,R49 : 1,5K
    R50,R51 : 1K


Condensateurs

    C1…C4 : 100µF / 300V
    C5,C6 : 10nF / 1500V
    C7 : 4700µF / 16V
    C8 : 10µF / 150V
    C9 : 0,1µF / 100V


Diodes

    D1…D4,D13 : 1N4007
    D5,D6,D14 : BZX55C (autant en série pour faire 90V)
    D7,D8 : BZX55C (45V)
    D9…D12 : 1N4004


Tubes

    L1,L2 : EL34 / 6CA7
    L3,L4 : EF94 / 6AU6


Divers

    U1 : LM317K
    REL1 : relais 12V 3RT
    3 commutateurs 11 positions 1 circuit
    1 commutateur 9 positions 1 circuit
    1 interrupteur simple.
    RV1,RV2 : 47K loi A
    1 transformateur 180VA 230V / 180V-0,3A + 180V-0,3A + 80V/-0,05A
    + 6,3V/2A + 6,3V/2A + 6,3V/3A + 7,5V/2A