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Alimentation électrique

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Catégorie: Alimentation

Quel type d'alimentation électrique installer pour votre électronique ?

Voir aussi la page schémas électriques

photos Franck Aguerre
photos PRZ

Si vous choisissez une carte à base de PWM, plus coûteuse qu'une carte sans régulation, vous aurez le grand avantage que, du fait de la régulation continue du courant, il n'est pas nécessaire d'utiliser une alimentation stabilisée.
Ainsi, un simple transformateur, avec un pont de redressement et un gros condensateur (10 000 microFarads au moins) est suffisant.
photo PRZ

Quelle tension pour cette alimentation

Alimenté par une carte à hacheur PWM, votre moteur pas à pas aura besoin d'une tension d'alimentation au moins égale à quatre fois sa tension nominale. Le maximum de tension est en général égal à 20 fois la tension nominale du moteur.

Une plus grande tension améliore les possibilités de vitesse (pour autant que votre moteur pas à pas en soit capable)
Une plus grande tension donne un meilleur couple à bonne vitesse (mais le couple à basse vitesse reste inchangé).

Cependant, il y a une pénalité. Quand vous augmentez la tension d'alimentation, celà tend à augmenter les pertes (pertes fer) dans le moteur, aussi il chauffe plus.
Cet échauffement est progressif avec le ratio tension d'alimentation/ tension nominale, il augmente plus vite que le ratio.
L'échauffement devient significatif au delà d'un rapport de tension de 10.
Comme par ailleurs, beaucoup de nos moteurs sont montés sur des supports en bois, ils ne sont pas très bien refroidis.
Aussi, un bon compromis est un ratio de tension situé entre 8 et 12.
Attention, il est normal que les moteurs chauffent. Une température de 50 à 60°C n'a rien d'anormal.

Mais attention, la tension redressée et filtrée en aval de votre transformateur sera sensiblement supérieure à la tension moyenne sur les fils du transformateur, elle va se rapprocher de la tension sur le pic des ondulations.
Approximativement :
Tension en sortie redresseur = 1.4 * Tension transfo -1.6V (le 1.6V est la chute de tension dans le pont redresseur)
A pleine puissance, on obtiendra une ondulation qu va baisser un peu la tension moyenne, mais à faible puissance cette tension sera présente.

Pour un transformateur de 24V, la tension redressée filtrée est donc de 24V x 1.4 -1.6V = 32.1 V.
Nota: Ce calcul est valable en charge uniquement, car à vide, la tension réelle du transformateur est sensiblement supérieure à sa tension nominale (de 10 à 15%).

Aussi, pour le moteur recommandé (2.6V), la tension maximum recommandée pour le transformateur est de 24V, ce qui donne une tension redressée de 32V, soit un ratio de 12,4.

Mais attention, votre carte a une tension maximum.
Vous devez laisser une marge entre votre tension d'alimentation et la tension maxi de votre carte.
Pour une alimentation stabilisée, il est recommandé de ne pas dépasser 80% de la tension maximum de la carte.
Aussi, si votre carte a une tension maximum de 46V, il est recommandé de ne pas dépasser 46* 80% = 37V
Un transformateur de 24V donnant une tension de sortie de 32V est donc proche du maximum.

Quelle puissance

Pour définir la puissance nécessaire pour le transformateur alimentant votre carte PWM, une estimation grossière est d'installer une intensité égale à la moitié de l'intensité requise par les moteurs, si tous les moteurs sont susceptibles d'être utilisés en même temps à vitesse maxi. Ceci est plutôt rare, car s'il est possible d'avoir les axe X et Y à vitesse maximum au même moment, avoir les trois axes est peu probable. Par ailleurs si vous avez deux tête et donc deux axe Z, ils ne fonctionneront jamais en même temps.
La consommation des moteurs arrêtés n'est pas nulle, mais elle est beaucoup plus faible que moteurs en pleine vitesse.

Ici, nous avons des moteurs 2x2A, aussi pour 4 moteurs, une intensité totale de 4 x 2 x 2A = 16A.
L'économie de consommation d'une carte à base de PWM vous conduira à une consommation maximum d'environ 8 A.
(En quelque sorte, une carte à base de PWM se comporte comme un transformateur de tension)
Ceci, avec un transformateur de 24V, nous conduit à une puissance de 24 x 8A = 192 VA, pratiquement un transformateur de 200 VA sera utilisé.
Moteur à l'arrêt, la puissance électrique consommée est de 2x2A*2.6V = 10.4W. Le pont ayant une consommation non négligeable, on peut estimer la consommation moteur arrêté aux alentours de 15 à 20 W en amont de chaque carte de puissance.
Pour 4 moteurs cela nous fait un total de 60 à 80 W

Si votre quatrième axe est celui d'une deuxième tête, ne fonctionnant jamais simultanément à pleine vitesse en même temps que la première, vous pourrez très certainement vous contenter d'une puissance transfo de (2x2A * 3 moteurs)/2 * 24V = 144 VA, donc un transformateur de 150VA est suffisant.

Prenez garde au fait qu'une tension dépassant 24V présente un danger de choc électrique. Evitez les contacts avec les fils sous tension, et soignez votre câblage et son isolement.

Capacité de filtrage

Une règle empirique pour définir la capacité de filtrage :

  • Valeur minimale : 1000 µF par Ampère de sortie
  • Valeur confortable : 2200 µF par Ampère de sortie
  • Valeur luxueuse : 4700 µF par Ampère de sortie

Dito, pour un tranfo de 150VA et 18V, donc sortant 150/18 = 8.33A, les valeurs suivantes (valeurs de condensateur existantes) :

  • Mini : 10 000 µF
  • Confortable : 22 000 µF
  • Luxueuse : 40 000 µF

On peut monter plusieurs condensateurs en parallèles pour obtenir la valeur requise.

Ne pas dépasser la valeur 'luxueuse', sinon il existe un risque de détruire le pont de redressement lors de la mise en route (du fait du chargement du/des condensateurs).

Pour la tension du condensateur, attention a prendre une bonne marge par rapport à la tension à vide du transformateur (la mesurer).

Pont de redressement

Un pont de redressement regroupe dans un boîtier unique quatre diodes de puissance. Les diodes causent une chute de tension (de 1.4V environ). Du fait de cette chute de tension et de l'intensité importante qui y circule, le pont chauffe et doit être monté sur une surface de refroidissement (il y a en général un trou au milieu prévu pour celà.
Quelle valeur adopter pour l'intensité?
La valeur nominale de l'intensité est approximativement égale à la puissance du transformateur divisé par sa tension. Cependant, du fait des transitoires, notamment lors du chargement du condensateur, il faut prévoir une marge confortable et on prendra un pont d'une valeur proche du double du résultat calculé.
Exemples:

  • Transformateur 150VA, 24V -> I=150/24 = 6.25 A -> on adopte un pont de 15A
  • Transformateur 200VA, 18V -> I=200/18 = 11.1 A -> on adopte un pont de 20A

Résistance de 'saignement'

Afin de vider le condensateur de l'alimentation lorsque votre montage est arrêté, il est bon de prévoir une résistance de 'saignement' qui consommera un peu de courant (en permanence), ce qui est indispensable pour deux raisons:

  • Même sous une tension de 40V, l'énergie contenue dans un gros condensateur est importante, et dans certaines circonstances (mains recouvertes de matériau conducteur ou mouillées), c'est suffisant pour tuer un adulte.
  • Il faut limiter les pics de tension au réallumage, qui peuvent détruire une carte.

Si vous avez un élément qui consomme du courant en permanence, tel qu'un ventilateur, vous pouvez probablement vous passer de cette résistance.

Si votre condensateur d'alimentation est dans les valeurs courantes dans le monde de la CNC (15 000 - 40 000 µF), vous pouvez envisager les valeurs suivantes:
- Alimentation 12-24V : 1 résistance 330 Ohm, 3W, ou 3 résistances de 1k, 1W, montées en parallèle.

  • Alimentation 24-30V : 1 résistance 560 Ohm, 3W, ou 3 résistances de 1.8k, 1W, montées en parallèle.
  • Alimentation 30-40V : 1 résistance 1k Ohm, 3W, ou 3 résistances de 2.7k, 1W, montées en parallèle.

Réalisation pratique

Vous manipulez la tension secteur, votre vie est en jeu, ne l'oubliez jamais. On n'a pas toujours droit à un deuxième essai.

  • Montez un fusible en amont du transformateur.
  • Mettre une terre sur la fixation du transformateur, et sur le boîtier s'il est métallique. Votre fiche de raccordement doit évidemment comporter une terre.
  • Séparez votre alimentation du reste de votre installation. Si elle est dans le même boîtier, les zones doivent être bien séparées.
  • Le redresseur (pont de diode) doit être monté sur une surface métallique ou être équipé d'un refroidisseur.
  • Vérifiez la tension de sortie avant de monter le condensateur, en cas d'erreur de câblage du transfo. En cas de surtension, le condensateur explose.
  • Le (les) condensateurs de filtrage doivent être récents. Il faut savoir que les condensateurs électrochimiques vieillissent, et qu'il ne sont pas prévus pour durer plus de dix ans. Attention au matériel de récupération, un mauvais condensateur peut causer de graves ennuis.
  • Préférez les condensateurs avec raccordement à vis.
  • Un condensateur électrochimique monté à l'envers explose brutalement, soyez prudents à la première mise sous tension avec. Fermez votre boîtier et éloignez vous.
  • Même si vous êtes un adepte du 'trop fort n'a jamais manqué', ne mettez pas un trop gros condensateur, les transformateurs et les ponts de redressement n'aiment pas du tout ça, car lors de l'allumage, celà crée un appel de courant trop brutal (pour remplir le condensateur).
  • Montez éventuellement une résistance de 'saignement'.
  • Vérifiez avant la mise sous tension!
  • Ventilez correctement le boîtier.

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Page mise à jour le 01/10/2015 12:53