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Quelques essais autour de l'ir2153

Les as du fer à souder et autres tweakers fous.

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Quelques essais autour de l'ir2153

Message #1 par Bruno D » 30 Déc 2020 à 19:18

En ce moment je fais quelques essais avec l'IR 2153, une paire de Mosfets et un transfo ferrite homemade, afin de faire par exemple une alimentation à découpage apte à alimenter un montage à tube.

Ce circuit est un "half bridge driver" qui comporte un oscillateur dont la fréquence peut être déterminée par le choix d'une résistance et d'un condensateur et des étages de sortie aptes à driver les gates des Mosfets.

Il est alimenté directement par la tension du secteur redressée et filtrée, via une résistance de puissance et un condensateur de découplage.



Les premiers essais furent encourageant puisque j'ai pu obtenir le chauffage 20 volts pour une GM70 et une HT de 650 volts avec un débit de 10 mA. Montage stable sans échauffement des transistors.
Les choses se sont compliquées quand j'ai voulu augmenter le nombre de spires de mon enroulement HT, j'ai eu des oscillations HF sur les plateaux du signal carré et une probable saturation du circuit magnétique .
Le circuit et les transistors ont grillé instantanément  :cheesygrin:

J'ai commandé de nouveaux composants avec cette fois un IR 2153D qui comporte une diode de boostrap en interne qui doit être obligatoirement un modèle ultra rapide.

Il faudra probablement aussi rajouter aussi une cellule RC sur le primaire du transfo pour absorber les oscillations HF et ménager un entrefer ...
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Message #2 par Bruno D » 05 Jan 2021 à 23:25

Réception d'une nouvelle fournée de composants, on va pouvoir continuer à s'amuser un peu  :wink:

Cette fois c'est une version plus récente de circuit intégré, l'IR2153D qui comporte une diode de bootstrap rapide intégrée . J'ai pris la précaution d'utiliser un petit support DIL 8 pour pouvoir remplacer le circuit rapidement en cas de défaillance sans devoir tout dessouder.

J'utilise en entrée un variac pour monter progressivement la tension secteur et réduire rapidement en cas d'apparition de sur-oscillations indésirables.

Le circuit démarre assez vite, dès que la tension minimale apparait aux bornes du condensateur de découplage et de la résistance chutrice. La fréquence de découpage est réglée à 48 kHz par l'association d'un condensateur de 330 pF et d'une résistance de 47 K.

Dés le démarrage du circuit les Mosfets commencent à conduire et alimentent le primaire du transfo ferrite. Sur le secondaire BT apparait une tension pour alimenter le filament de la GM70 qui commence à briller.
Une sonde d'oscillo reliée sur ce circuit permet de visualiser la forme d'onde et mesurer les tensions et la fréquence.

Par rapport aux premiers essais j'ai rajouté un entrefer entre les deux pièces de ferrite du transfo afin de limiter une saturation brutale.

Les plateaux du signal carré sont cette fois très propres, je peux continuer à augmenter la tension secteur. J'arrive au maximum sans incident et j'obtiens les 20 volts sur le filament de la triode.

Sur l'enroulement HT je retrouve les 650 volts après redressement et filtrage sommaire avec un débit de 10 mA.

Les prochains essais consisteront à augmenter le débit pour essayer de se rapprocher des 100 mA requis et de voir la chute de tension que cela entraine et surtout les conséquences au niveau de la stabilité du montage.

Ensuite j'essaierai d'augmenter le nombre de spires de l'enroulement HT afin d'avoir un peu plus de 1000 volts avec le débit nécessaire ...
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Message #3 par Tron_ic » 06 Jan 2021 à 10:58

Bonjour Bruno,

Ton projet et tes essais sont vraiment très intéressantes et j'ai hâte d'en savoir plus.

As-tu essayé de modifier la fréquence de la puce ?

Salutations. Tony
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Message #4 par Bruno D » 06 Jan 2021 à 12:33

Bonjour Tony,

Oui, j'ai essayé de monter en fréquence mais cela n'a pas été concluant avec beaucoup de sur-oscillations et tendance à la saturation de la ferrite. A ré-essayer avec l'entrefer.

Mais il faut que je fasse d'abord des mesures sur le transfo avec le générateur et l'oscillo, pour avoir une idée de l'impédance primaire avec une fréquence plus élevée et voir si ça vaut le coup en terme de spires/ volt.
Théoriquement plus la fréquence est élevée et moins il faut de fil mais je dois vérifier aussi les caractéristiques de perméabilité de la ferrite utilisée, elle n'est peut être pas adaptée pour monter au delà de 100 kHz.
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Message #5 par Bruno D » 06 Jan 2021 à 17:57

Augmentation de la charge sur la HT avec un courant de 40 mA, la tension chute de 20 volts passant de 640 à 620 volts.

Le signal semble rester correct, toujours mesuré sur l'enroulement de chauffage 20 volts :



En zoomant on peut remarquer quelques oscillations aux transitoires

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Message #6 par Bruno D » 06 Jan 2021 à 19:50

Augmentation du courant à 70 mA, la tension chute à 610 volts et le signal se dégrade fortement, le transfo devient bruyant.

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Message #7 par Bruno D » 10 Jan 2021 à 12:11

Poursuite de ces essais intéressants.

Comme j'ai deux noyaux de ferrite, pendant que l'un fonctionne, je débobine et rembobine le deuxième, il n'y a pas trop de tours de fil et avec les moulinets de pêche, ça va tout seul  :biggrin:

Ce matin avec le deuxième transfo j'ai un fonctionnement correct sans trop de sur-oscillations et pas de vibration audible.
Mais j'ai un peu trop de tension de chauffage, 23 volts, je rajoute une résistance bobinée de 1 ohms et ...

Vibrations du transfo et sur-oscillations  :eek:  Très intéressant.

Probablement une histoire de facteur Q, rapport résistance/réactance. J'ai donc intérêt à bobiner en gros fil et diminuer le nombre de spires, c'est parti ...
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Message #8 par Bruno D » 10 Jan 2021 à 16:14

Bonne piste  :wink:

J'ai augmenté le diamètre du fil primaire et réduit le nombre de spires, pareil au secondaire pour la HT. Je table sur 5 volts/ spire.

Mais c'est plus car avec 4 tours j'arrive aux 20 volts alors qu'il me reste un petit quart de course sur le Variac.

Côté HT, j'ai 900 volts qui débitent dans une R de 8900 Ohms. Donc le cahier des charges est pratiquement rempli  :wink:

Sur l'oscillo c'est pas trop mal, les oscillations HF restent de faible amplitude et sont stables, le transfo ferrite est parfaitement silencieux.

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Message #9 par Tron_ic » 10 Jan 2021 à 18:25

Bonjour Bruno,

Bruno D a écrit:Côté HT, j'ai 900 volts qui débitent dans une R de 8900 Ohms. Donc le cahier des charges est pratiquement rempli  :wink:

Super et encore une fois Bravo !

As-tu mesuré l'ondulation résiduelle ainsi chargée sur ton proto ? Quoi qu'il en soit 100mA sur 900 vdc c'est pas mal du tout.

Tu as surement modifié le schéma proposé et plus spécifiquement du coté des transfos. Si oui pourrais tu m'en dire plus car ce point m'intéresse. Faudrait pouvoir trouver dans un catalogue industriel différents transfos qu'on puisse employer

Salutations Tony
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Message #10 par Bruno D » 10 Jan 2021 à 18:52

Bonjour Tony,

Les ferrites utilisées sont celles-çi :

https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf ... _33_32.pdf

Elles sont très largement dimensionnées, je les ai choisies pour ne pas avoir de difficultés pour réaliser les bobinages et effectivement je n'ai pas du tout été limité, je vais pouvoir rajouter des enroulements de moyenne tension et de chauffage pour l'étage d'entrée.

La limite de fréquence utilisable semble bien être de 100 kHz.

Je vais maintenant regarder ce que ça donne au niveau du filtrage avec des condensateurs de 100 µF et une petite self symétrique de quelques mH.
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Message #11 par Tron_ic » 10 Jan 2021 à 19:02

Bruno,

merci pour ces info !  :wink:

Pour le B+ à 900Vdc, la valeur de 100uF me semble une valeur assez élevée qui pourrais peut-être participer à un échauffement excessif des drivers. Selon ce que tu constateras tu peux sans autre me dire ce que tu aura retenue sur ce point.

Perso, je serais enclin à favoriser un fonctionnement stable, durable et fiable qu'à une résiduelle dès plus réduite sur le B+.

Salutations. Tony
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Re: Quelques essais autour de l'ir2153

Message #12 par Bruno D » 10 Jan 2021 à 21:13

Oui, c'est beaucoup trop, l'habitude d'utiliser ces valeurs avec les alimentations classiques  :wink:

Avec 1,5 µF en tête, 50mH et 10µF il reste des salves HF de 8 volts d'amplitude, aux transitoires du signal de 48kHz.

Je vais rebrancher la cellule RC sur le primaire du transfo et augmenter légèrement l'entrefer, je verrai la réduction du résidu que je peux ainsi obtenir en amont.

J'essaierai ensuite de rajouter une cellule de filtrage LC en sortie.
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Re: Quelques essais autour de l'ir2153

Message #13 par Bruno D » 10 Jan 2021 à 22:47

Par contre il faut soigner le filtrage du secteur redressé car bien évidemment le résidu 100 Hz module ensuite tout le circuit.

Ce résidu s'il n'est pas éliminé sera ensuite parfaitement audible sous forme d'une ronfle classique, tant au niveau du chauffage que de la HT alors que le résidu HF modulé à 48 kHz est en dehors du spectre.

Mais ce n'est pas une raison pour ne pas essayer de s'en débarrasser au maximum  :wink:
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Message #14 par Bruno D » 10 Jan 2021 à 23:47

Autre chose, j'utilise pour ces essais et le redressement de la HT, un pont redresseur que j'avais sous la main et composé de BY255 en série.
Ces diodes ne sont pas adaptées au redressement à ces fréquences, les pics de commutation sont je pense, principalement causés par ces diodes.
Je ferai d'autres essais avec des diodes rapides prochainement .
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Re: Quelques essais autour de l'ir2153

Message #15 par Bruno D » 11 Jan 2021 à 22:53

Bon, les essais seront retardés, j'ai eu un amorçage dans le transfo et les Mosfets sont passés en qrt, merdum  :cheesygrin:

C'est pas grave j'ai du stock.

J'avais bobiné en spires jointives cette fois çi pour aller plus vite et faire moins de couches, ça m'apprendra !
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Message #16 par Bruno D » 19 Jan 2021 à 21:29

Les essais ont pu reprendre depuis quelques jours.
La seule façon de supprimer les sur-oscillations, dangereuses pour l'étage à Mosfets et génératrices de bruits est d'augmenter l'épaisseur de l'entrefer, j'en suis pratiquement à 4 mm d'épaisseur de cales en Teflon  :eek:

Avec ce montage je n'ai plus du tout de salves de forte amplitude accompagnées de bruits dans le transfo. Du fait des pertes causées par l'entrefer, j'ai un léger échauffement.

Le noyau ferrite que j'utilise est très surdimensionné et vu les puissances en jeu, je pourrais réduire fortement sa taille, il faudra que je fasse une nouvelle série d'essais avec un noyau plus petit mais j'ai peur d'avoir des difficultés à caser tout le fil pour la HT d'autant plus qu'il y aura moins de volts par spire.
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Message #17 par Bruno D » 20 Jan 2021 à 23:08

Tron_ic » 06 Jan 2021, 09:58 a écrit:Bonjour Bruno,

Ton projet et tes essais sont vraiment très intéressantes et j'ai hâte d'en savoir plus.

As-tu essayé de modifier la fréquence de la puce ?

Salutations. Tony


J'ai passé la fréquence de découpage à 60kHz mais ce n'est pas bon, j'ai de nouveau une tendance aux oscillations de forte amplitude et je me suis arrêté à mi-course sur mon variac, avant de tout péter.

J'ai ensuite à l'inverse essayé à 30 kHz, c'est beaucoup mieux et la HT est un peu plus élevée qu'avec les 48 kHz de départ.

Il faut que j'essaye un noyau de ferrite différent et plus petit.
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Re: Quelques essais autour de l'ir2153

Message #18 par Bruno D » 24 Jan 2021 à 11:55

Nouvel essai rapide et involontaire  :cheesygrin:

N'ayant pas vérifié que mon variac était à zéro, j'ai branché direct ... Et tout a grillé.

Cette expérience est intéressante, il était d'ailleurs prévu de la faire tôt ou tard pour se rapprocher des conditions d'utilisation réelles.
Je vais devoir réaliser une montée progressive de la tension avec un transistor ballast et un gros condensateur chargé lentement.
Ce genre de circuit simule électroniquement une grosse self sans le poids et l'encombrement, il permettra en plus de la temporisation un lissage très efficace du résidu de filtrage.
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Re: Quelques essais autour de l'ir2153

Message #19 par Bruno D » 07 Mar 2021 à 15:07

Poursuite des essais avec un transfo ferrite plus petit et plus adapté aux puissances prévues.
Celui que j'ai utilisé jusqu'a présent pouvait passer plus du kilowatt mais c'était pour des questions de facilité de bobinage.



Avec ce petit transfo le rapport volts/spires est moins favorable mais le diamètre de la bobine étant assez faible par rapport au gros, au final je bobine moins de fil.

J'ai passé la fréquence à 80KHz, la ferrite autorise un max de 100KHz et rajouté des varistances pour écrêter les pics de sur-oscillation qui m'ont grillé pas mal de MOSFets, on a vite fait de dépasser les 30 volts d'isolation gate/source.

Autre problème, les diodes HT ne tiennent pas, j'ai flingué pratiquement tout ce que j'avais en stock  :cheesygrin:
La seule qui tient pour l'instant doit avoir une tension de crête inverse de 20kV, c'est un modèle industriel en stéatite.

Enfin, malgré un entrefer conséquent la ferrite arrive à saturation autour des 700 volts ... On est pas rendu :wink:
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Re: Quelques essais autour de l'ir2153

Message #20 par Bruno D » 22 Oct 2021 à 19:06

Reprise de la manip après avoir laissé reposer quelques mois ...

La plupart des alimentations à découpage actuelles sont du type " à résonance " c'est à dire qu'un circuit LC est inséré entre les MosFets et le transfo . Ce circuit accordé sur la fréquence de découpage, transforme le signal carré en sinusoïde.
Le transfo apprécie beaucoup et on a beaucoup moins de bruit en sortie.

L'astuce consiste à utiliser la self de fuite du transfo pour réaliser le circuit LC, ça c'est la théorie  :wink:

En pratique cette self de fuite n'est pas facile à mesurer, j'ai trouvé 30 µHy ce qui donne un condensateur de 100 nF à insérer dans le circuit primaire mais les essais ne sont pas très concluants, j'ai de bien meilleurs résultats avec 220 nF.

Le fonctionnement est stable avec 750 volts sur la HT et 13 volts RMS sur le chauffage de la GM70 mais je suis loin de la sinusoïde même si j'ai beaucoup moins de sur-oscillations . Pour l'instant je ne pousse pas plus loin au niveau du variac pour ne pas flinguer les MosFets.

Prochaine étape, rajouter un potentiomètre sur l'IR2153 pour faire varier la fréquence ( actuellement à 83 KHz ) et tenter de trouver l'accord du circuit ...
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