Un bloc d'alimentation DIY pour toutes les saisons

J'ai un ami (ne riez pas, c'est vrai !). Nous l'appellerons Joe (parce que c'est son nom). Pour être honnête, je ne me souviens plus comment nous nous sommes rencontrés, même si je sais que c'était par Internet. Joe et moi en discutions par e-mail un peu plus tôt dans la journée, alors que j'écrivais ces quelques lignes. Joe dit qu'il a des e-mails datant d'avril 2006, mais ceux-ci révèlent déjà une discussion en cours. Nous avons donc décidé de fixer la date de notre rencontre au 1er avril 2005. Cela signifie que dans juste trois ans, cela fera 20 ans que nous nous connaissons (sortez les cotillons). Cela m'a notamment fait réaliser que j'ai rencontré une grande partie des personnes que je compte aujourd'hui parmi mes amis les plus proches par Internet, ce qui donne certainement matière à réfléchir.

Avez-vous vu la série télévisée The Equalizer avec Queen Latifah dans le rôle de Robyn McCall ? L'un de ses amis est Harry Keshegian (joué par Adam Goldberg). Harry est un hacker hors pair qui vit sous terre dans une station de métro désaffectée, que j'ai toujours considérée comme sa « Batcave », puisque j'ai été élevé avec Batman et Robin. Eh bien, Joe est l'équivalent anglais de Harry. Il sort rarement à la lumière du jour et vit dans un hameau de campagne idyllique, près de Cambridge, où il télétravaille pour son emploi à plein temps (le jour) en tant qu'ingénieur logiciel et matériel senior pour le service d'ambulances de Londres. Le soir (et souvent la nuit), Joe crée les trucs et les bidules les plus étonnants que vous n'ayez jamais vus.

La raison pour laquelle j'en parle ici est que, de la même manière que Robyn fait appel à Harry lorsqu'elle a un problème, je fais appel à Joe. Il y a quelques semaines, par exemple, un projet intéressant a atterri sur mon bureau. Il impliquait l'utilisation de microcontrôleurs PIC 8 bits old-school, comme le PIC16F18346-I/P de Microchip Technology.

Je vous raconterai peut-être mes aventures avec les PIC dans un prochain article. Mais pour l'instant, nous avons d'autres chats à fouetter. Mon problème est qu'en plus de programmer ces petits coquins, je dois également les soumettre à une série de tests. Cela m'oblige à créer une carte personnalisée avec un connecteur DIL à 20 broches à force d'insertion nulle (ZIF), comme le 222-3343-00-0602J de 3M, entouré d'un tas d'autres éléments comme des commutateurs DIP, des commutateurs rotatifs 1P12T, des bornes de sonde pour mon oscilloscope… la liste est longue (si vous êtes vraiment malchanceux, cette carte sera peut-être présentée dans un prochain article).

Parmi ses nombreux autres talents, Joe est un expert PIC (il est peut-être même ceinture noire en technologie PIC). Nous avons donc fixé un appel Zoom pour que je puisse lui demander conseil. Nous avons passé une bonne heure à échanger des idées, puis nous nous sommes séparés pour la journée. Imaginez ma surprise et mon plaisir le lendemain matin en découvrant que Joe avait décidé de créer la conception de circuit imprimé « juste comme ça ».

Et dans ce coin…

Alors que Joe me montrait le schéma et la configuration du circuit imprimé (une fois de plus, grâce aux merveilles de Zoom), il a fait un commentaire en passant du genre : « Et cette zone dans ce coin est mon circuit de puissance standard ». Lorsque j'ai demandé plus de détails, Joe m'a expliqué qu'il avait décidé de tester les PIC à la fois à 5 volts (V) et à 3,3 V, et avait donc ajouté un circuit éprouvé qu'il utilise pour beaucoup de ses conceptions.

Joe m'a dit qu'il n'utilisait jamais l'USB pour alimenter ses créations parce que « vous n'avez pas la certitude d'avoir 5 vrais volts ». Il m'a également expliqué que, depuis qu'on lui a menti, il ne fait plus confiance aux alimentations prétendant avoir +Ve sur le connecteur interne et 0 V (terre) sur le connecteur externe. Pour être honnête, cela m'a rappelé des haut-parleurs d'ordinateur plutôt sympas que j'avais achetés et qui sont partis en fumée à cause d'un événement quelque peu similaire. Tout cela a conduit Joe à créer son propre circuit qui accepte une tension d'entrée de 7 V à 25 V, CA ou CC (CC pouvant être n'importe quelle polarité). Cette alimentation fournit des valeurs de 5 V et de 3,3 V CC extrêmement fiables pour alimenter ses gadgets et ses bidules.

Cette idée m'a semblé très bonne. Si bonne que j'ai demandé à Joe s'il pouvait en faire une carte séparée qui pourrait être utilisée par d'autres passionnés (comme votre humble serviteur) pour leurs propres projets de loisirs. Vous avez probablement déjà deviné que le lendemain matin, j'ai trouvé cette conception dans ma boîte e-mail, avec la permission de Joe de la mettre à la disposition de toute personne intéressée.

Ressentir la puissance

Le schéma du circuit du bloc d'alimentation (PSU) de Joe est présenté à la Figure 1. À première vue, vous pouvez penser que cela n'a rien de révolutionnaire. Mais plus vous vous plongez dans le détail, plus vous vous rendez compte que tout est très réfléchi. Par exemple, la carte à circuit imprimé est monoface, ce qui permet aux amateurs de fabriquer leur propre carte à la maison s'ils le souhaitent (Joe a également fourni les fichiers de conception pour ceux qui préfèrent faire fabriquer leur carte par un professionnel).

Figure 1 : Le schéma du circuit de l'alimentation semble simple au premier coup d'œil, mais il est le fruit d'une longue réflexion. Par exemple, le fichier de conception de la carte à circuit imprimé est monoface, permettant ainsi aux amateurs de fabriquer la leur à la maison. (Source de l'image : Joe Farr)

Pour discuter des composants, il faut également tenir compte de la configuration, comme illustré à la Figure 2. Commençons par le connecteur d'alimentation SK1, qui peut être tout connecteur de carte de type cylindrique avec l'empreinte correcte. Sur la base de mes alimentations murales existantes, j'utiliserais typiquement une version de 2,1 millimètres (mm), comme le 54-00166 de Tensility International Corp. Vous pouvez aussi simplement souder les fils de la source d'alimentation aux pastilles « a » et « b » de la carte à circuit imprimé.

Figure 2 : En utilisant les valeurs, types et placements des composants indiqués sur la sérigraphie (par exemple, l'illustration montre le régulateur IC2 connecté aux pastilles/traversées IC2a), l'alimentation accepte de 7 V à 25 V CA ou CC en entrée et garantit des sorties de 5 V et 3,3 V. Cependant, en échangeant certains des composants (par exemple, en connectant un autre type de régulateur aux pastilles/traversées IC2b), de nombreuses autres combinaisons de tension peuvent être obtenues. (Source de l'image : Joe Farr)

Dans le cas du connecteur de sortie, SK2, une version à cinq broches de Molex est idéale, car elle permet de déconnecter facilement la carte du reste du projet. Cependant, vous pouvez utiliser n'importe quel connecteur à cinq broches à pas standard de 2,54 mm ou souder des broches d'embase, ou même souder des fils directement sur la carte à circuit imprimé.

En ce qui concerne BR1, n'importe quel pont redresseur ayant une tension de fonctionnement d'au moins 50 V et un courant nominal d'au moins 1 ampère (A) (toujours légèrement supérieur à la charge maximale combinée de la carte) peut être utilisé.

Concernant notre implémentation particulière de cette conception, nous avons besoin d'une sortie de 5 V, qui est générée par IC1, et d'une sortie de 3,3 V, qui est générée par IC2. Le composant que nous avons utilisé pour IC1 était un 7805 qui traînait dans le coffre aux trésors de pièces détachées de Joe (le composant que nous avons utilisé était similaire au MC7805ACTG d'onsemi). Dans le cas d'IC2, la conception originale, qui est reflétée sur la sérigraphie, est spécifiée comme utilisant un régulateur LDO (à faible chute de tension) LD1117V33, tel que le LD1117V33 de STMicroelectronics. Cela est illustré du côté droit de la Figure 3, qui montre le bloc d'alimentation terminé.

Figure 3 : Bloc d'alimentation terminé. Le cavalier entre « d » et « e » (au centre) signifie que l'entrée pour IC2 est commandée par la sortie pour IC1 (voir notes ci-dessous). La connexion de la résistance de protection (R1) entre « f » et « i » signifie que LED1 est alimenté par la sortie d'IC2, indiquant ainsi que tous les éléments de la chaîne d'alimentation (BR1, IC1 et IC2) fonctionnent. (Source de l'image : Joe Farr)

Le condensateur C1 est un dispositif électrolytique de 470 microfarads (µF) qui doit avoir une tension nominale supérieure à la tension d'entrée maximale prévue de la carte (nous avons utilisé un composant de 35 V). Dans le cas des condensateurs C2 et C3, à peu près n'importe quel condensateur de 100 nanofarads (nF) avec une tension de fonctionnement supérieure à 35 V peut être utilisé. En ce qui concerne le condensateur C4, si IC2 est un régulateur LD1117V33, alors un condensateur de 10 µF/16 V est idéal. Cependant, si un régulateur 78xx est utilisé pour IC2 (voir aussi les discussions sur les régulateurs ci-dessous), ce condensateur doit être remplacé par un autre condensateur de 100 nF identique à C2 et C3.

LED1 est une diode électroluminescente (LED) de 5 mm ou 3 mm avec une tension directe d'environ 2 V. La valeur de la résistance de protection, R1, qui doit être répertoriée à 0,25 watt (W), dépend de la tension de sortie qui sera utilisée pour commander la LED (voir les discussions ci-dessous).

Points pertinents à prendre en compte

Un régulateur fonctionne en prenant la tension d'entrée et en l'abaissant pour qu'elle corresponde à la tension de sortie spécifiée. Dans le cas des régulateurs utilisés ici, la différence entre la tension d'entrée et de sortie est dissipée sous forme de chaleur, ce qui signifie que le régulateur peut devenir extrêmement chaud. Pour minimiser la chaleur qui doit être dissipée, essayez de régler la tension d'entrée de sorte qu'elle soit supérieure d'environ 3 V à la tension de sortie des régulateurs qui lui sont connectés. De plus, lorsque la carte fonctionne sur le courant continu, tenez compte du fait que le pont redresseur fait chuter la tension d'entrée d'environ 1 V.

Certains régulateurs — le LD1117V33 est un bon exemple — ont la languette de montage métallique connectée à la broche de sortie du dispositif. En comparaison, les régulateurs 78xx ont la languette de montage connectée à la broche centrale (terre).

Comme nous l'avons vu précédemment, la conception présentée ici est destinée à fournir des sorties de 5 V et 3,3 V, mais elle peut être facilement modifiée pour s'adapter à d'autres combinaisons de tension, comme 12 V et 5 V, en fonction des besoins. Dans ce cas, le régulateur utilisé pour IC1 peut être tout régulateur de style 78xx (n'essayez PAS d'utiliser un régulateur de la gamme 79xx sur cette carte, car le brochage est différent).

Il existe deux options pour IC2. Comme nous l'avons déjà évoqué, la conception originale utilise un régulateur LD1117V33 de 3,3 V. Ces régulateurs doivent utiliser les pastilles IC2a, car ils ont un brochage différent de celui des dispositifs plus courants de la gamme 78xx. Si vous souhaitez utiliser un 78xx pour le deuxième régulateur, vous devez utiliser les pastilles marquées IC2b.

Le régulateur IC1 est toujours alimenté directement par la sortie du pont redresseur et du condensateur C1. En comparaison, en fonction de vos besoins, il existe deux possibilités pour commander le régulateur IC2. Si vous le souhaitez, il peut être alimenté directement par le pont redresseur (placez le cavalier « c » sur « e »). Ou bien, il peut être alimenté par la sortie d'IC1 (placez le cavalier « d » sur « e »). Cette dernière option est utile si la tension de sortie d'IC1 est supérieure à la tension d'entrée minimum requise pour IC2, comme c'est le cas dans mon implémentation. Cela réduira la chaleur, mais suppose également que le régulateur IC1 a une capacité suffisante pour alimenter votre circuit ainsi que le régulateur IC2.

Si la résistance de protection de LED1, R1, est connectée entre « f » et « g », la LED sera alimentée par la sortie du pont redresseur, BR1. Si R1 est connectée entre « f » et « h », elle sera alimentée par la sortie d'IC1. Et si R1 est connectée entre « f » et « i », elle sera alimentée par la sortie d'IC2. En fonction de la tension d'entrée appliquée à la LED, la valeur de la résistance R1 doit être ajustée pour obtenir une luminosité raisonnable. En visant environ 10 milliampères (mA), ce qui donne une bonne luminosité sans soumettre la LED à une contrainte, voici quelques valeurs de résistance suggérées pour différentes tensions : 3,3 V = 150 Ω, 5 V = 330 Ω, 12 V = 1 KΩ, 15 V = 1,2 KΩ.

Conclusion

Et voilà. Ce n'est peut-être pas une alimentation de type Jetson futuriste et sophistiquée, mais cette jolie petite carte DIY bien utile peut permettre de répondre aux exigences de nombreux projets personnels. J'ai l'intention de garder une réserve de ces cartes à disposition, ainsi qu'une collection de régulateurs, pour être prêt à passer à l'action pour de futurs projets. Qu'en dites-vous ? Comme toujours, n'hésitez pas à m'envoyer vos commentaires, questions et suggestions.