Alimentation basse tension avec asservissement transistorisé

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Submitted on 1 Jan 1962

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Alimentation basse tension avec asservissement

transistorisé

R. Barjon, J. Lachkar

To cite this version:

33

ALIMENTATION BASSE TENSION AVEC ASSERVISSEMENT TRANSISTORISÉ

Par R. BARJON et J.

_LACHKAR,

Institut d’études nucléaires de l’Université _d’Alger,

Résumé. 2014 L’article décrit _une alimentation stabilisée basse

tension _{(30V, 8A)} avec

asser-vissement transistorisé, destinée à alimenter les lentilles _{quadrupolaires} de focalisation d’un fais-ceau d’ions de 1 à 3 _MeV, le courant de focalisation devant varier _{proportionnellement} à un _autre

courant (courant de l’aimant _analyseur), le facteur de _{proportionnalité dépendant} des conditions

spéciales à _{chaque expérience (distance focale,} écartement des _lentilles, dimension de la cible, etc...),

Abstract. 2014 A low

voltage high current _{(30V, 8A) power supply} with a transistorized

servo-mechanism is described.

The current delivered is _{proportionnal} to a reference current, the factor of _{proportionality} can

be varied, to a certain extent, according the _special conditions of the _experiment. PHYSIQUE

PHYSIQUE APPLIQUÉE

SUPPLÉMENT AU N° 3. TOME _23, MARS _1962, PAGE

I. - Introduction. - Le faisceau d’ions

produit

par le Van de Graafl de 3 MeV de l’Institut

d’Études

Nucléaires

d’Alger,

est

_analysé

par un

analyseur électromagnétique

(aimant

de

_détection)

comme cela a

_{généralement}

lieu,

_puis

focalisé sur

la _{cible par} un

_système

de lentilles

_{quadrupolaires}

électromagnétiques.

FIG. 1. - Lentilles quadrupolaires de focalisation.

Lorsqu’on

veut faire varier

l’énergie

des

parti-cules,

il suffit de faire varier le courant

_qui

_parcourt

l’aimant

analyseur :

grâce

à un

système

d’asservis-sement

la haute tension accélératrice suit

automa-tiquement.

Il faut alors faire

varier

_{proportionnellement}

le courant dans les lentilles de

_{focalisation,}

aussi avons nous cherché à réaliser une

alimen-tation délivrant un courant de

_charge

7c

propor-tionnel au courant «

_pilote

» de l’aimant

analy-seur

_Ip,

c’est-à-dire :

Le facteur de

_{proportionnalité}

_pouvant

être

choisi arbitrairement dans ’une certaine gamme en

fonction des

_exigences

de

_{l’expérimentation :}

dis-tance

_focale,

grandeur

de

_l’image,

etc...

II.

_Principe

de

l’apparel.

w--- La

figure 2

donne le schéma fonctionnel de

_{l’appareil.}

Une

alimen-tation stabilisée fournit une tension continue

cons-tante

_Fie

et

_l’énergie

totale du

_système

et de la

charge.

L’élément

_pilote

est constitué _par une

ten-FIG. 2. - Schéma fonctionnel du

système.

sion

_prise

aux bornes d’une résistance étalon

Ré

dans le circuit d’alimentation de l’aimant

analy-seur du Van de Graaff.

La chaine d’action est constituée _{par :}

- Le

comparateur,

qui

oppose cette tension à la tension de la chaine de

_réaction,

tension

_prise

aux

bornes d’une

deuxième

résistance étalon Re

_placée

dans le circuit de

_charge

des

_lentilles,

en amont du

ballast.

-

L’amplificateur

à courant

_{continu, qui}

am-plifie

le courant d’erreur.

- Le

servomoteur,

dont la tension aux bornes

varie suivant la loi :

Calculons la transmittance

eil

boucle ouverte du

système

en

appelant :

le le côurant de

_charge

des lentilles de résis-tances totales

_{Rc ;}

Ip

le courant de référence :

courant

_magnétisant

de

_{l’analyseur}

(courant

pilote) ; S

la transconductance du comparateur ;

fui

le

_gain

en courant. de

_{l’amplificateur ;}

_tg

oc la

34

pente

de la

_{caractéristique}

du servomoteur dans

sa

_partie

linéaire.

’

On trouve _que

_lorsque

le courant de référence 7p

augmente

de

_AIp,

la variation du courant de

charge

A7c est _{donnée par :}

avec

Cherchons les conditions que doit

remplir

le

sys-, tème pour être

stable,

la transmittance _en boucle

fermé,

fermee,

soit Ic, est :

SOIT

p

est :

III.

_Description

de

_{l’appareillage.}

-

Chaque

lentille

_{quadrupolaire}

_magnétique

a une résistance

de 6

_Q,

nous montons le doublet en

parallèle.

La

résistance de la

_charge

est donc de 3 Q. Les calculs et les

_expériences

_{préliminaires}

ont montré

_qu’un

courant de 3 A était nécessaire _pour focaliser un

faisceau de

_protons

de 1 MeV et

_qu’un

courant de

8 A focalisait un faisceau de tritons de

3,05

MeV.

L’appareil

doit donc être dimensionné pour débiter

une

puissance

maximum de 225 W en

_régime

continu.

FIG. 3. -

Montages avec _compensation de _{température (a)}

. sans compensation de température (b) :

Pour décrire en détail

l’appareil (fig. 3),

repre-nons le schéma fonctionnel étudié

_plus

haut.

Le

_comparateur

est constitué _par l’OC 70

_qui

réalise

_{l’opposition}

des deux tensions Re 7c et

_Ré

Ip

entre base et

_émetteur,

une résistance de

_{820, Q}

insérée dans ce circuit fixe le courant au

repos

à

40

_VA.

Le courant base de l’OC 74 tend à

_s’opposer

au courant collecteur de l’OC 72. L’OC 74

maté-rialise

_{l’amplificateur}

à courant continu. La ten-sion base collecteur est stabilisée par des diodes

Zener. Le courant émetteur de l’OC 74 commande les bases des différents transistors ballasts. Ceux-ci sont des 2 N 1555 Motorola de

_{caractéristiques}

15 A-90 W à

_25°,

dont le

_gain

en courant est de l’ordre de 70 dans le

_plage

de

_régulation.

Afin

d’équilibrer

_ceux-ci

nous avons monté dans les émetteurs des résistances de

_{0,6 Q, grandes}

devant la résistance de saturation des transistors de l’ordre

du centième d’ohm.

Ce sont les transistors ballasts

_qui

doivent

dis-siper

l’excédent de

_{puissance lorsque}

_l’appareil

ne

fonctionne pas à la valeur nominale du

courant,

soit 8 A.

Les condensateurs sont destinés à éliminer les oscillations H. F.

L’alimentation est _{fournie par} un

autptransfor-mateur 110 V 9 A débitant sur un

_pont

de diodes au silicium SORAL

_type

HA 28 M 12 admettant un courant maximum de 12 A avec

refroidissement,

sous une tension inverse de crête de 280 V. Les

formes et dimensions des ailettes de refroidis-sement sont fournies _par le constructeur.

Une self de

_0,13

_Henry

_protège

les redresseurs des tensions

_{inverses ;}

sa

_présence

n’est _pas abso-lument

_{indispensable,}

vu les tensions inverses de crête

_supportées

_par ceux-ci. Puis vient une ’cellule en TT constituée _par une résistance

_{1,1 n}

et des

capacités

de 100

_yF.

Vu la nature de la

_charge,

nous avons été amené

à

_disposer

d’un

_{autotransformateur,}

et ce afin

d’éviter

_l’emploi

d’un

_disjoncteur

_{par trop}

volu-mineux. _{La coupure} se fait par

_interrupteur

_après

mise de la tension à zéro. Deux fusibles

_placés

respectivement

dans le

_primaire

et dans la

_charge

protègent

contre les surintensités.

L’autotransformateur

_présente

en outre

l’avan-tage

de

_permettre

la réduction de la

_plage

de

régu-lation,

donc de la

_puissance

_perdue

_lorsqu’on

doit fonctionner en _{permanence à} faible courant.

IV.

_Compensation

de l’effet de

_{température.}

-Pour que la

régulation

et surtout l’asservissement soient

_fidèles,

il faut

_qu’aucun

des

_paramètres

du

système

ne

_varie,

d’où l’évidente nécessité d’une correction de la

_{température.}

A cet

_effet,

nous

disposons

un

préchauffage

des

transistors-ballasts d’une

_part

et d’autre

_part

nous

compensons les variations de tension base-émet-teur de l’OC 70 _par un autre transistor

_identique

branché en

_{opposition (yg.}

_4).

V. Refroidissement. -

Si l’on admet un courant

nominal de 8

_A,

la tension constante à l’entrée du

régulateur

est :

transistors-35

FIG. 4.

ballasts

_dissipent

48

_{W ;}

à 3

_A,

ils doivent

_dissiper

78 W.

-Pour des raisons de

_sécurité,

nous avons calculé

la surface des ailettes de telle sorte

_qu’un

seul transistor

_{puisse dissiper}

cette

_puissance.

A 25° le

2 N 15-55 a une

_puissance

de 80 W

_qui

tombe à

0 à 1000. La

_température

de la

_jonction

ne doit

donc _pas

_dépasser

40°.

, VI.

Essais. - Nous

avons

_groupé

les

essais

en

trois

_parties

différentes : ESSAIS

_{ÉLECTRIQUES.}

-

a)

lc -

f(t). ’

NOUS avons vérifié _{que le courant} de

charge

ne variait

FIG. 5.

pas au cours du

_temps

de

_plus

de 100 mA et ce

indépendamment

des variations de

_secteur.

Le

ré-gulateur

étant branché sur les lentilles

quadru-polaires,

les lentilles ont elles-mêmes chauffé et la

courbe

_précédente

est aussi une courbe 10 =

f(Rc).

La

_température

de la

_charge

_ayant

varié de

_30°,

la résistance de

_charge

a donc varié dans le

rap-port

1,12.

La courbe Ic =

f (Ip)

_{est une} droite dans la

FIG. 6. - Caractéristiques du servo-moteur

36

mesure où le crochet de

₍₂₎

ne

_dépend

_pas de

Ip

ou varie _peu en fonction de

Ip,

ce

_qui

est le cas ici.

On

_peut

voir

_(fig.

₅₎

_{que le courant} de

_charge

est bien

_{proportionnel}

au courant

_pilote

entre les valeurs

_1,5

et

_{4,5 ampères}

du courant

_ilote.

Ceci

_supposait

_que

_{tg oc}

soit

_{gran ,}

ce

_qui

est vrai comme le montre la

_figure

6.

ESSAIS

_{PHYSICO-ÉLECTRIQUES.}

-

Il est

possible

de traduire

_I,

en

énergie

(le

courant de référence

Ip

étant

_{proportionnel}

à la racine carrée de

_l’énergie

des

_particules),

nous _pouvons donc tracer les

courbes donnant le courant de focalisation en

fonction de

_l’énergie

des

_protons,

des deutérons et des tritons _pour des valeurs données de

_{F, A}

et n

(fig.

7).

VII. Performances

_techniques.

- Il faut

consi-dérer

_l’appareil

en tant _{que système régulé} d’une

part et,

en _{tant que}

_système

asservi d’autre

_part.

La

_régulation,

est assurée à mieux de 1

_%

_pour

les variations

_conjuguées

de tension d’entrée de 10

_%,

de

_charge

de 12

_%.

Nous estimons la

régu-lation en fonction de la

_charge

à

_0,3

_%

_pour la

plage

de variation considérée. L’inertie

thermique

du

_système

ne saurait excéder

_quelques

minutes.

La

_plage

d’asservissement s’étend de 3 à 8

am-pères pour Fc.

La courbe de

_{réponse peut}

en _gros se

_décomposer

en deux

_{droites :}

Entre 3 et

_5,5

_{ampères, s ==}

_{0 ;}

entre

_5,5

et

8

_ampères,

e = - 6

%

en valeur moyenne.

VIII.

_{Conclusion. -}

Les difficultés du

_montage

ont été dues à la

valeur relativement

forte de . la

résistance de

_charge.

Le facteur lié à l’étendue de la

_plage

de

régu-lation nous a

_poussé

à

_augmenter

le nombre de

transistors-ballasts branchés en

_parallèle.

Une

_augmentation

du

_gain

de

_{l’amplificateur}

à

courant continu

_pourrait

_augmenter

sensiblement

à la

_plage

de

_régulation.

Nous tenons à remercier

_{particulièrement}

M.

_Herry

_pour l’aide

_qu’il

a

_apportée

au cours de