Alimentation à découpage pour le module Peltier de la caméra Audine.


Caractéristiques principales:

  • Alimentation à découpage.
  • Régulation en courant : ceci permet de contrôler exactement le courant circulant dans l’élément Peltier.
  • Tension d’entrée : de +10 à +14 V (utilisation possible sur batterie).
  • Courant de sortie : réglable de 0.5 à 4 A.
  • Rendement en puissance supérieur à 92% @ 3A
  • Bruit de commutation en sortie : < 200mV @ 3A
  • Tension auxiliaire : de –12 à –15 V.
  • Consommation sur la tension auxiliaire : < 25 mA.
  • Possibilité d’ajout d’une régulation par la température à partir d’un LM35, avec plage de consigne réglable de +42 à –42 oC.


Modes d’utilisation :

Sans régulation de température :

Le courant envoyé dans l’élément Peltier est fixé précisément par un potentiomètre. La mesure de température par la sonde thermique permet à l’utilisateur de fixer le courant optimal, qui refroidit au mieux le Peltier, dans les conditions nominales d’utilisation. 

Avec régulation de température :

Dans ce cas, l’utilisateur fixe une température de consigne à l’aide d’un autre potentiomètre. Tant que cette température n’est pas atteinte, le courant envoyé dans le Peltier est fixé par la régulation de courant à une valeur choisie auparavant par l’utilisateur. Au voisinage de la température de consigne, l’alimentation réduit progressivement le courant envoyé jusqu’à ce que l’équilibre thermique soit atteint.  

Mode mixte :

L’utilisateur fixe une température de consigne légèrement inférieure à 0 oC (mode analogue à celui décrit au paragraphe 2.2). Le givre se fixe alors sur les doigts froids du drain thermique, épargnant le CCD. Une fois l’équilibre thermique atteint, l’utilisateur fixe une température impossible à atteindre (-50 oC, par exemple), ce qui revient à faire fonctionner l’ensemble de façon analogue au cas décrit au paragraphe 2.1. L’alimentation débite dans le Peltier le courant de consigne optimal, qui fera descendre la température du CCD à la valeur la plus basse.


Intégration dans une alimentation pour Audine :

Utilisation domestique

L’utilisateur récupère la tension de 12 V qui sert à alimenter le ventilateur, et la dérive vers le module d’alimentation Peltier. Il convient de vérifier que l’alimentation 12 V peut fournir la puissance nécessaire (de l’ordre de 30W, soit 2.5A). La tension auxiliaire est reprise de la tension –15V fournie par l’alimentation de l’électronique de la caméra (voir schéma ci-dessous).

 

 

Utilisation en campagne

L’intégration est encore plus simple : la tension principale de 12 V est prise directement aux bornes de la batterie, avec les précautions d’usage (fusible et coupe-circuit). La tension auxiliaire est récupérée à la sortie du convertisseur DC/DC alimentant l’électronique de la caméra (voir schéma ci-dessous)

 


 


Schéma électronique :

Pour les utilisateurs qui ne souhaitent pas réguler la caméra en température, il leur suffit d’ignorer le bloc grisé du schéma général.

Ce schéma existe aussi en version PDF (nécessite Acrobat Reader 4.0, disponible gratuitement chez Adobe).

Schéma :

   

 

Nomenclature

Désignateur Référence Description ou équivalent Remarque
Q1 RFP70N03 Transistor canal N MOSFET de puissance  Eventuellement, le monter sur un radiateur
Q2 IRFD123 Transistor canal N MOSFET de moyenne puissance  
Q3 2N2222 2N4401 ou tout transistor NPN équivalent de commutation rapide  
Q4 2N2907A 2N4403 ou tout transistor PNP équivalent de commutation rapide  
Q5
7805
Régulateur 5V

D1, D2, D4 1N4148 Diode de commutation  
D3 BS430 Diode Schottky de puissance Cette diode est parcourue par un courant de 3 à 4 A
D5 1N4133A Diode Zéner de 5.1 V  
L1 90 u   Prendre une self de puissance…
L2 330 uH    
C1 470 nF/ 50V    
C2, C4 2200 uF / 25 V    
C3, C5 100 uF / 25 V    
C6 22 uF / 25 V    
C7, C8, C10, C12, C13 10 nF    
C9 680 pF    
C11, C14, C15
100 uF / 25 V


P1, P3 10 kW linéaire   Voir Potentiometre
P2 100 kohm linéaire    
R1, R9, R10, R12 10 kohm    
R2, R3 220 ohm    
R4, R11 1 kohm    
R5 0.025 ohm / 1W   Voir paragraphe 4.3.2 et 4.3.4
R2 22 ohm    
R7, R17, R18 4.7 kohm    
R8, R22 22 kohm    
R13 39 kWohm/ 1%   Voir paragraphe 4.3.2
R14 1 kWohm/ 1%   Voir paragraphe 4.3.2
R15, R16, R19 470 ohm    
R20 470 kohm    
R21 10 Mohm    
R22 220 kohm    
R23
4.7 kohm


R24,R25
1.7 kohm


U1 LM 3524    
U2, U3 TL081 LM741 ou tout autre ampli op à usage général

Explications sur le schéma et les composants:

Câblage :

Les équipotentielles et composants dessinés en gras sont ceux parcourus par un courant fort. Il faut donc veiller particulièrement au câblage, en utilisant des fils ou des traces de fortes sections. Il est même conseillé de blinder l’ensemble de ces composants (ainsi que Q2, Q3, Q4, D1, D2, C1, R1, R2 et R3) en les enfermant dans une cage de Faraday, constituée de tôle fine mise à la masse (équipotentielle 0V).  

Amplificateur de mesure de courant :

La régulation en courant se fait par la résistance R5, et l’ampli constitué par U2, R13 et R14. Si on souhaite utiliser une autre valeur de résistance R5, il faut modifier en conséquence le gain de cet ampli. Ce gain G est égal à 1 + (R13 / R14). Sur le schéma, R5 = 0.025 ohm, et G = 1 + 39/1 = 40. Si on souhaite prendre R5 = 0.1 ohm, il faut que G vaille 10. On pourra prendre R14 = 1 kW , et R13 = 9 kW (mise en série d’une résistance de 8.2 kW et d’une autre de 820 W ). Pour assurer une bonne précision de mesure, il convient que les résistances R13 et R14 soient précises à 1%.

Attention : le choix d’une autre valeur pour la résistance R5 impacte directement le rendement en puissance de ce module. Si on admet que l’élément Peltier a une résistance de 2.5 ohm , une valeur de R5 égale à 0.025 ohm fait perdre 1% de rendement. Une valeur de 0.1 ohm fait perdre 4%. 

Alimentation du ventilateur :

Le ventilateur partage la même masse que l’élément Peltier. Par conséquent sa tension d’alimentation se trouve réduite par la résistance, mais d’une valeur extrêmement faible (3 mV si R5 = 0.025 W ). Mais, vu de l’ampli de mesure, l’erreur est de 3 x 40 = 120 mV, soit l’équivalent de 120 mA. Il est possible d’annuler cette erreur en procédant à la correction d’offset de l’ampli de mesure. 

Correction d’offset :

P2 et R20 servent à corriger la tension d’offset de l’ampli de mesure (décalage de zéro). Cette correction se fait en ayant débranché le Peltier, mais en laissant le ventilateur en fonctionnement. On doit alors tourner P2 pour faire en sorte que la tension au nœud R12-R13 soit nulle. En rebranchant le Peltier, l’ampli de mesure retournera la valeur réelle du courant circulant dans le Peltier.

Potentiomètres de réglage :

Le potentiomètre P1 sert à fixer le courant de consigne de l’alimentation. Dans le cas où l’utilisateur souhaite implémenter la régulation en température, ce potentiomètre fixe le courant maximal qui sera débité dans le Peltier. Par expérience, il ne semble pas nécessaire de prendre un modèle multitour.

Pour P3 par contre, il peut être intéressant de prendre un modèle démultiplié pour obtenir une bonne précision. Pour une bonne accessibilité, P3 est à fixer en face avant.

Rendement et pertes

Le rendement énergétique élevé de cette alimentation est dû au principe même des alimentations à découpage. Sans entrer dans la théorie, ce rendement est d’autant plus proche de 1 que le transistor Q1 commute rapidement de ses états bloqué et passant. En effet, un transistor du type de Q1 chauffe principalement durant les transitions d’état, générant alors des pertes par effet Joule. Il est donc important d’assurer une transition rapide, et c’est ce à quoi servent les transistors Q3 et Q4. Dans le cas où on arrive à un rendement supérieur à 92 %, l’expérience a montré qu’il n’était plus nécessaire d’adjoindre un radiateur à Q1.

Une autre source de perte énergétique réside dans la self L1. Celle-ci doit être constituée de fil de forte section, et avoir une ferrite qui ne sature pas trop vite. Dans le cas contraire, la self s’échauffe, et le rendement en pâtit. 

Régulation en température

Si l’électronique de régulation en température est d’un type assez simple et modélisable, la réponse du capteur Peltier (Température = f(Intensité)) , elle, est loin d’être linéaire… Ceci a pour conséquence que la température retournée par la caméra est toujours supérieure à celle spécifié par le potentiomètre P3 (dit de consigne), et ce d’autant plus qu’on s’approche de la limite basse de température que peut générer le Peltier. La régulation a pour but de maintenir le CCD a une température constante, et non de le faire parvenir à une température fixée à l’avance.


Circuit imprimé :

Grace au remarquable travail de Olivier Garde, nous disposons du typon pour la réalisation du circuits imprimé (simple face).


Conclusions et remarques :

Ce schéma et les explications techniques associées constituent le résultat d’un travail de conception par une petite équipe constituée de François Cochard, Joel Setton et Jacques Michelet, travail que Olivier Garde a parachevé avec le dessin des circuits imprimés. Nous sommes conscients du fait que des améliorations peuvent y être apportées. Néanmoins, il nous a semblé intéressant de partager ces résultats, qui peuvent peut-être servir de point de départ à d’autres réalisations.

Malheureusement, faute de temps et de moyens matériels et humains, il ne nous est pas possible de procéder à la réalisation d’un vrai dossier de fabrication, incluant des références complètes d’approvisionnement, un manuel de montage, etc… Pour information, les composants de puissance ont été le plus souvent récupérés sur des alimentations d’un type comparable, et les ‘petits’ composants sont disponibles chez tous les revendeurs.

Enfin, les schéma théoriques et d'implantation et les explication techniques associées sont fournis " en l’état ", c’est à dire que nous ne sommes pas responsables de l’utilisation qui peut en être faite, ni des conséquences et dommages qui pourraient en résulter.


Dernière mise à jour : 2002-10-21

Page maintenue par Jacques Michelet