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Electronique

Alimenter une Led sans transformateur secteur

photo d'une Led bleue...Le présent article en représente en fait deux. Je ne les ai pas séparés car ils se complètent.
L'un concerne l'alimentation d'une Led, l'autre celui de la mesure en sécurité au labo.

Il est souvent utile de disposer d'une Led de signalisation de présence secteur, lors de la construction d'une alimentation de laboratoire par exemple. transfo isolement...Récemment, je me suis construit un appareil constitué d'un transformateur d'isolement pour ma sécurité au labo mais pas seulement. Il me sert surtout à pouvoir effectuer des mesures avec mes appareils qui sont pour la grande majorité reliés à la terre, et l'oscilloscope en fait partie. Par exemple pour mesurer la tension au primaire d'une alimentation à découpage ou visualiser le signal du transistor hacheur (celle d'un PC pourquoi pas...), il demeure impossible de réaliser cela sans prendre de risques considérables tant pour soi que pour le matériel, en test ou de mesure.

L'oscilloscope étant quasiment toujours muni d'une prise de terre, la masse de son châssis ainsi que celle de ses sondes de mesure s'y trouvent reliées également, et c'est très bien comme cela !

Si d'aventure il vous prenait l'envie de tenter ce genre de manipulation, cela ne durerait que... le temps que votre disjoncteur différentiel saute !
Eh oui !!! car lors du raccordement de la masse de votre sonde à la masse primaire de l'alimentation que vous souhaitez ausculter, vous établissez ni plus ni moins qu'un joli pontage de l'un des pôles du secteur 230V/AC et ... la terre de votre installation électrique. Le disjoncteur va aussitôt déclencher car le pôle ainsi mis à la terre (la Phase ou le Neutre, vous avez une chance sur 2...) va initier une fuite, d'où disjonction immédiate.

Mais alors comment faire ?
Certains petits malins vont aussitôt se dire (si-si, je l'ai constaté dans l'atelier de réparation d'un service après-vente, c'est vous dire...)... et si j'isole mon oscilloscope de la terre... je n'aurai plus ce problème de disjonction, et du coup je pourrai effectuer mes mesures... Eurêka !

Eh bien non, perdu !
Ne jouez pas avec votre vie, il faut mieux acheter une alimentation neuve pour votre PC, ce sera moins cruel...
En isolant votre oscilloscope, et en branchant donc la masse de votre sonde à la masse primaire de l'alimentation à dépanner, vous allez vous retrouver avec ce que l'on appelle une masse flottante, c'est à dire sans référence aucune par rapport à la terre, terre à laquelle vous êtes très probablement relié sans vraiment trop le savoir (même avec de bonne chaussures en cuir et semelle de caoutchouc...). Et si vous tentez d'actionner tel ou tel réglage sur votre oscilloscope, je vous souhaite de la chance et... beaucoup de courage, car son châssis peut fort bien se retrouver avec une différence de potentiel par rapport à la terre de plusieurs centaines de volts, voire plus...

NE JOUEZ PAS AVEC VOTRE SANTÉ !!!

Et comme personnellement il m'arrive souvent d'être confronté à une difficulté de ce genre, j'ai décidé de me construire un appareil de protection, et pour cela je me suis inspiré de celui trouvé sur Internet ici.
mon transfo d'isolement complet... schema transfo isolement [320x215px]

Le coffret est grand, mais le transformateur de 160VA est gros (et lourd, presque 3Kg...) et je souhaitais installer en façade du coffret 2 prises d'alimentation :

  • la première qui est de couleur blanche est reliée au secteur par l'intermédiaire d'un commutateur à 2 circuits de manière à couper les 2 pôles (Phase et Neutre)
  • la seconde qui est de couleur rouge (pour bien la différencier) est reliée au secondaire du transformateur d'isolement (c'est ainsi qu'il s'appelle...) par l'intermédiaire d'un commutateur à 2 circuits de manière à couper les 2 pôles (pseudo Phase et Neutre)

Avec ceci j'ai souhaité pouvoir mesurer le courant absorbé par l'appareil sur lequel j'effectue mes manipulations, et donc tout naturellement j'ai ajouté 2 prises "bananes" qui se trouvent court-circuitées par un commutateur unipolaire.
Ajoutez à cela une prise d'alimentation fixée au châssis du même modèle que celle des PC (j'ai des câbles en trop, donc c'est une excellente solution), un fusible de type temporisé dans le circuit primaire du transfo (à cause principalement de l'appel de courant lors de la mise en service...) et un second de type rapide dans le secondaire de ce même transfo.
Tout y est... y compris les deux fameuses Led de signalisation. Ce sont des modèle haute luminosité émettant une superbe lumière bleue très puissante bien que ne consommant que 7mA environ !
Là pour le coup, on ne peut ignorer le fait que l'engin est sous tension...

D'habitude lorsque je conçois une alimentation, je prévois toujours d'insérer une Led sur le +5V de manière à visualiser qu'il est bien présent.
Mais ici, point de tout cela ! Je n'ai que du 230V/AC tant au primaire qu'au secondaire... comment faire ?
N'ayant pas envie d'ajouter un transfo supplémentaire avec le pont de diodes pour le redressement, le filtrage puis la régulation via une diode zener ou un 7805 par exemple, tout cela rien que pour une Led ? en fait non, il m'en faut deux, une pour me signaler la présence secteur au primaire, et une seconde pour me signaler la présence du 230V/AC au secondaire.

Vous me suivez toujours ?

Fort de ces considérations, je vais passer outre et faire fi du transfo + redressement + filtrage + régulation... trop cher et trop encombrant. De plus le transfo supplémentaire consommerait de l'énergie rien que pour les Led...
Ce serait vraiment du gaspillage !

La solution, c'est d'alimenter les Led directement depuis le secteur... enfin directement... pas tout à fait comme vous allez le constater ci-dessous...
L'idée est de se dire qu'il doit être possible de fabriquer une sorte de pont diviseur de tension de manière à pouvoir alimenter les Led...
voui... et c'est ce que je vais vous expliquer :

Je tiens d'ailleurs à remercier Rémy MALLARD pour les informations précieuses et pertinentes (dont je me suis inspiré...) qu'il diffuse régulièrement sur son site Internet SONELEC-MUSIQUE.
Examinons donc un peu le schéma qui suit :
extrait du schéma du Transfo d'isolement...

Hormis le condensateur C11 (100nF/400V X2), nous sommes en présence d'un circuit abaisseur de tension avec pour R11 (330Ω) une limitation du courant, et une régulation en tension avec la diode zener ZD12. La diode D11 (1N4004) sert à protéger la Led en supprimant les alternances négatives. Celle-ci ne voit donc que les alternances positives, soit une par période comme dans le cas d'un redressement simple-alternance. Ceci suffit largement à alimenter notre Led.
Aux bornes de cette diode nous disposons d'une tension directement liée à la tension zener. Ayant choisi dans mon montage un modèle BZX85C-3V9 (que j'avais tout bonnement en stock...), la tension à ces bornes ne pourra jamais être supérieure à 3,9V. C'est cette tension qui va alimenter notre Led par l'intermédiaire d'une résistance série (que j'ai volontairement définie à 33Ω) servant là encore à limiter le courant circulant cette fois dans la Led.

Oui mais... en effet, ici point de transformateur donc ni de pont de diodes et encore moins de condensateur de filtrage.
En fait le filtrage n'est dans le cas présent pas nécessaire puisque nous n'alimenterons pas de montage à base de micro-contrôleur par exemple, et pour le quel il faudrait bien évidemment un filtrage rigoureux.
Le pont de diode non plus n'est pas utile, un redressement simple alternance suffira largement pour notre usage.

 

Il reste encore le condensateur... à quoi sert-t'il ?
En fait, en régime sinusoïdal, sa réactance qui dépend de la fréquence de la tension qui lui est appliquée ainsi que de la valeur de sa capacité propre font qu'il se comporte un peu comme une résistance, et forme un pont diviseur avec l'ensemble R11+(D11//ZD12).

La formule qui permet de définir la réactance d'un condensateur répond à celle-ci :

Xc = 1/ωC avec --> Xc étant la réactance du condensateur exprimée en Ω  
  ω étant la pulsation d'un signal sinusoïdal à la fréquence f(Hz) avec --> ω = 2*Pi*f
  C étant la capacité du condensateur exprimée en Farad  
  Pi étant arrondi à 3,14 pour simplifier les calculs  
Nous obtenons donc pour Xc la formule équivalente suivante :
Xc = 1 / (2 * Pi * f * C) --> Xc = 1/(314*100E-9) --> Xc = 31,847KΩ  
en appliquant la Loi d'Ohm U = R x I nous pouvons en déduire le courant délivré par le montage :
i = (230-3,9)/Xc --> i = (230-3,9)/31847 --> i = 7,099mA  

Avec ce faible courant, je parviens tout de même à alimenter une Led haute luminosité de couleur bleue, et croyez-moi... cela éclaire !
Et tout ceci avec quasiment que des composants de récupération :

  • la Led provient d'une réglette 8 prises possédant un interrupteur lumineux ainsi que 2 Led bleues dont je n'avais que faire... point besoin de signalisation étant donné que celles de mon labo (j'en ai plusieurs...) sont constamment sous tension... J'ai conservé les interrupteurs, mais récupéré les Led, au cas où...
  • le condensateur de 100nF/400V X2 provient de l'alimentation à découpage d'un ancien magnétoscope détruit... il y en avait 2 qui étaient placés directement à l'arrivée du secteur, et qui servaient au filtrage des fréquences élevées (environ 50KHz...) provenant du circuit hacheur. Ce dispositif sert en fait à supprimer ces hautes fréquences qui se propagent sur le réseau 230V de votre habitation, et donc à dépolluer le secteur.
    Eh oui, une alimentation à découpage mal filtrée pollue !
  • la diode zener de 3,9V je l'avais en stock, ainsi que les résistances d'ailleurs...

Donc pour moi le coût est négligeable... comparativement à l'achat d'un transformateur très basse tension + tout ce qu'il convient de rajouter autour pour fabriquer une alimentation, le calcul est vite fait !
Et le résultat est tout à fait incroyable, voir ci-dessous :
mon transfo d'isolement complet...

ATTENTION TOUTEFOIS !

Le montage est alimenté par le secteur, et de ce fait reste dangereux lors du contact direct avec tout ou partie du corps humain !

Méfiance avant tout, ce genre de circuit est à manipuler avec soin !

Et je ne saurais trop vous conseiller l'usage d'un transformateur d'isolement pour éviter tout risque d'électrocution entre l'un des pôles et la terre !

Bon évidemment cela a un prix... le coût de revient de mon équipement avoisine les 150€, mais à quel prix situez-vos votre sécurité ?

 

Oscillogrammes

oscillogramme relevé en TP1... oscillogramme relevé en TP2... oscillogramme relevé en TP3... oscillogramme relevé sur R12...

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