Conversion résonnante et Remplacement des batteries 9 et 90 V des postes portatifs par une batterie au lithium (LiPo 3S)

[aK1969]

Le remplacement des deux batteries pour les postes portatifs est un sujet régulièrement abordé dans ce forum (*). C’est aussi un sujet techniquement très intéressant. En règle générale on doit remplacer une batterie de 9 V (pour les filaments en série) ou 1.8V (filaments en parallèle) et une à 90V ou 67V pour la HT.

NB : Par la suite je parlerai de A+ et B+ pour les tensions BT (filaments) et HT (anodes) respectivement.

Multes choix techniques sont possibles en fonction des priorités qu’on se fixe. Dans mon cas je voudrais entre autres éviter complètement les interférences sans subir la complication d’un blindage étanche à l’eau.

Dans un premier projet j’ai réalisé deux batteries distinctes à base de piles NiMH; à savoir 8x AA en série pour A+ et 10x 6F22 en série pour B+. J’ai conclu cette expérience par lister les avantages et inconvénients ici. Ces dernières m’ont poussé à revisiter le problème sous un autre angle. Les échanges ici ont été le point de départ d’un deuxième projet de remplacement des batteries sur la base de la technologie LiPo pour générer à partir d’une seule batterie de 12V les deux tensions de 9 et 90V pour A+ et B+ respectivement.

Dans les messages qui vont suivre je présenterai le schéma, la simulation et le prototype réalisé. Ce prototype a servi pour tester et mesurer le dispositif afin de valider son fonctionnement et ses performances.

La batterie utilisée a été faite en utilisant des cellules LiPo d’une batterie d’ordinateur portable recyclé. En mettant 3 cellules en série j’ai ajouté un module BMS pour obtenir une batterie rechargeable de 11.1V et 3400 mAh comportant toutes les protections de base.

Sur la photo on peut voir aussi un indicateur de niveau et un régulateur qui sera utilisé pour générer la tension de 9V à partir de 11.1V.

aK

(*) quelques discussions à ce sujet dans le forum et ailleurs

• Batterie HT
• Alimentation autonome pour poste batterie
• Module DC / DC
• Cherche pile B+ 67.5V
• Alimentation pour portatif
• TSF portatifs et rechargement des batteries NiMH
• Batteries 67V
• Onduleur 12V/HT

[aK1969]

Rappel du besoin. Ayant comme cible le remplacement des batteries d’un portatif Socradel Weekend/Clarson Mistral à partir de son jeu des tubes : 1L4, 1AC6, 1T4, 1S5, 3Q4 on peut établir notre besoin comme :

• Batterie A+ : 9V (8.3V) 50mA, charge de 180 Ohm
• Batterie B+ : 90V (107V) 25mA, charge de 3600 Ohm

Suivant les suggestions des uns et des autres ici, je me suis dit qu’il serait intéressant d’obtenir la tension de 90V par conversion résonante à partir d’une tension continue de 12V.

L’approche retenue. Après pas mal des recherches sur la toile et dans la literature technique j’ai convergé vers un dispositif push-pull alimenté en courant (current-fed) de conversion résonante ZVS (Zero Voltage Switching) auto-oscillant.

Il ne faut pas se laisser impressionné par cet empilement des termes. Il s’agit d’un auto-oscillateur suivi d’un transformateur et dont les transistors en entrée du transformateur commutent quand la tension à leur bornes est zero. Donc pas de bruit de commutation excessif et réduction des pertes. Grace à l’alimentation en courant le signal en entrée du transformateur est un sinus pur ce qui nous permet de complètement éviter le problème des harmoniques comme on peut avoir avec d’autres approches (comme par exemple celui et celui) lorsque le signal en entrée du transformateur est un carré.

La figure suivante donne une représentation simplifiée du concept de base,

et la figure suivante une version plus opérationnelle.

Ce circuit connu également comme Mazzilli ZVS driver du nom de la personne qui l’a inventé, génère une tension sinusoïdale que l’on peut élever par un transformateur convenablement dimensionné pour ensuite la rectifier/filtrer ou même la réguler pour obtenir la tension et le courant voulus.

J’ai opté pour un transformateur secteur torique de 7VA en s’inspirant d’autres projets parmi ceux que j’ai pu répertorié ici.

Schema et simulation. Voici le circuit configuré pour une fréquence de resonance d’environ 11KHz (validé en simulation sous Falstad).

La simulation nous dit qu’on peut générer 96V, 26mA en sortie à partir de 12V avec une efficacité de l’ordre de 62% pour une fréquence de résonance de 11 kHz.
NB : j’ai essayé d’utiliser des modèles des composants (mosfets, diodes rapides etc.) proches de ceux que j’avais sous la main et que j’allais utiliser pour le prototypage.

Normalement dans le circuit de ZVS c’est l’inductance de fuite du transformateur qui avec le condensateur forme un circuit LC resonant parallèle. Or, les transformateurs toriques ont un coefficient de couplage très proche de 1 qui fait que cette inductance de fuite et trop petite du coup l’addition d’une inductance en parallèle permet de determiner la fréquence d’oscillation et de la rendre moins dépendante de la charge.

Ensuite j’ai fait un prototype car pour ce genre de système la simulation ne peut être qu’une première étape.

A suivre…
aK

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Notes

1. J’étais très intrigué par un projet pour la NASA « The Quiet Converter » décrit par Col. Mclyman ici et ici utilisé sur le telescope Hubble. Un rapport préliminaire (en page 28 ici) sur les performances concernant les interférences est également intéressant.
2. Pour comprendre quelques subtilités sur le circuit Mazzilli ZVS la discussion que j’ai pu trouver dans deux thèses de Master par Paolucci et McClusky m’a été très utile.

[Osgood]

Bonsoir,

il y a très longtemps que j’entends parler des convertisseurs à résonance, mais je n’avais encore jamais vu un schéma ni une réalisation amateur. Ce sujet m’intéresse donc particulièrement !

[aK1969]

Pour le prototypage j’ai utilisé des composants que j’avais sous la main capables de faire ce que je voulais sans chercher une optimalité quelconque à ce stade du travail.

J’ai commencé par faire l’inverseur ZVS sur breadboard pour rapidement vérifier l’oscillation.

Pour éviter les inconvénients du breadboard (mauvais contacts, parasites etc.) j’ai fais une version soudée compacte.

Sur les photos on peut voir le circuit LC configuré pour une fréquence de résonance de 11 kHz et 23 kHz.

Pour avoir une certaine flexibilité et pouvoir changer souvent et facilement les valeurs LC je trouvé les connecteurs Wago d’électricien très utiles pour toujours assurer un bon contact.

Ensuite j’ai connecté l’inverseur à un transformateur torique de 7VA PTC7 2x9V en serie vers 2x110V en parallèle. Au point milieu en entrée j’ai connecté l’inductance qui sert de source de courant fait par un filtre mode commun avec ses deux enroulements mis en parallèle. En sortie du transformateur j’ai mis un pont de redressement à base de diodes rspides FR108 et un filtre CLC en pi fait avec l’inductance d’un filtre mode commun et deux condensateurs électrochimiques pour 400V.

Un potentiomètre simule la charge de 3600 Ohm. Celui on ne peut pas le laisser sous tension très longtemps. Pour les mesures j’en ai utilisé un autre plus gros qui chauffe à peine.

[aK1969]

Voici quelques photos sur des mesures avec un oscilloscope.

On peut voir une fréquence de résonance de 22.3 kHz et une tension quasi sinusoïdale de 72.4V pp. Donc Vmax=36.2V (la theorie prédit pi * Vin = 3.14 * 12V = 37.68V)

La photo suivante montre la tension en entrée du transformateur (trait jaune, 10V/div) pour une fréquence de résonance de 11.8 kHz et le bruit de champ proche (trait bleu 0.2V/div).

J’ai mesuré le champ proche avec l’oscilloscope en entrée haute impédance avec une sonde de fortune que j’ai bidouillé avec un cable coax.

On peut vaguement distinguer un bruit de commutation au moments du passage par zero.

Je ferai un test avec une radio marine qui couvre pas mal de gammes lw/mw/sw pour voir ce que cela donne. Une feuille de métal au dessus du circuit LC relié au châssis va être suffisant je pense pour faire davantage à cet egard si nécessaire.

À suivre…

[F6CER]

Bravo, beau boulot

[Osgood]

Dès que le schéma et les valeurs de composants seront à peu près fixés, cela vaudra le coup de faire un circuit imprimé compact avec un bon plan de masse (double face au moins).
A suivre !

[aK1969]

Voici quelques mesures pour completer les informations.

RL=3600 Ohm	L=0.47 mH, C=0.47 uF	L=0.235 mH, C=0.22 uF
F_res	11.8 kHz	22.3 kHZ
Vdc_in / Idc_in	12 V / 0.4 A	12 V / 0.59 A
Vxfmr_in max	37.6 V	36 V
Vdc_out	111 V	120 V
n	70%	55%

RL=3600 Ohm	L=0.47 mH, C=0.47 uF	L=0.235 mH, C=0.22 uF
F_res	11.8 kHz	22.3 kHZ
Vdc_in / Idc_in	10 V / 0.33 A	9 V / 0.45 A
Vxfmr_in max	31.55 V	27.25 V
Vdc_out	92 V	90 V
n	70%	55%

Donc on voit bien que l’efficacité à 11.3 kHz (L=0.47 mH, C=0.47 uF) est bien meilleure, ce serait donc la configuration à maintenir avec une tension en entrée de 10V pour être au plus prés de la tension de sortie ciblée.

Une première explication serait les pertes au niveau du transformateur associées au skin effect qui augmentent avec la fréquence ainsi que les pertes résiduelles au niveau des MOSFETS aux instants de transitions qui augmentent également puisque le nombre des transitions augmente avec la fréquence.

Configuration à retenir : Vdc_in = 10 V, L=0.47 mH, C=0.47 uF

[aK1969]

Quand on travaille à ces fréquences il est souvent question des bruits acoustiques à cause du phénomène de magnetostriction. Dans le cas present il n’y a pas de bruits audibles (en tout cas pour mon oreille).

Donc pas de problème de ce coté là.

Par curiosité j’ai quand meme voulu faire un test car les microphones des smartphones sont très sensibles. Avec l’app Spectroid on peut facilement voir le spectre des fréquences dans la bande passante du micro. Dans les captures d’écran qui suivent pour les deux configurations de 11.8 kHz (à gauche) et de 22.3 kHz (à droite) on voit bien qu’il y a des pics aux fréquences de fonctionnement.

C’est assez sommaire mais ça donne une idée de ce qui se passe .
aK

[aK1969]

Voici une carte artisanale en cours d’élaboration c’est 7cm x 10cm. Je compte l’utiliser pour faire un stress test de fonctionnement de longue durée.

Ce n’est pas beau mais c’est utilisable et donne une idée sur les dimensions qu’on peut atteindre avec un PCB plus professionnel. Personnellement je n’ai pas encore eu l’occasion d’en faire un mais pour quelqu’un qui s’y connait ça doit être assez facile.

@Osgood

Dès que le schéma et les valeurs de composants seront à peu près fixés, cela vaudra le coup de faire un circuit imprimé compact avec un bon plan de masse (double face au moins).

Concernant le schéma et les valeurs des composants cela me semble figé.

En revanche il faudrait atteindre un peu car comme je l’ai déjà dit je n’ai pas cherché d’optimiser quoi que ce soit à ce stade. Par exemple l’inducteur Wurth de 0.47 mH utilisé pour le circuit LC est peut être surdimensionné à 3.5A. Les MOSFETS ne semblent pas chauffer du tout du coup pas besoin de dissipateurs (à vérifier quand même). Le transformateur PTC7 semble bien adapté mais étant donné qu’il a été conçu pour 50 Hz et qu’on l’utilise à 11 kHz on pourrait probablement faire plus petit avec un transformateur haute fréquence. Il faudrait regarder les transformateurs utilisés aux alimentations à découpage pour voir s’il y a une reference intéressante… (Si qqun aurait des infos ou idées à ce propos je suis preneur )

Du coup il y a peut-être de la marge pour réduire le poids et le volume occupé.

aK

[Osgood]

Super ! Mais en effet, avant de faire un circuit, cela vaut le coup d’optimiser encore. Le plus long est certainement côté transformateur, en effet on doit pouvoir gagner beaucoup en volume. L’idéal serait de trouver un modèle à ferrite sur étagère (cela existe). S’il faut bobiner en commençant par acheter les morceaux, cela complique. Et accessible aux amateurs… Et si je devais le faire (qui sait…) je mettrais le maximum de CMS, transistors compris.

[aK1969]

@Osgood

Super ! Mais en effet, avant de faire un circuit, cela vaut le coup d’optimiser encore. Le plus long est certainement côté transformateur, en effet on doit pouvoir gagner beaucoup en volume.

Dans ma liste de choses à faire est de tester la possibilité de se passer du transformateur après l’auto-oscillateur en utilisant un multiplicateur de tension.

Si c’est faisable l’encombrement va fortement baisser.

Cela a déjà été suggéré dans une autre discussion et je trouve c’est une option qui mérite d’être pris en compte.

@guilhem

On peut aussi utiliser un petit convertisseur sinusoïdal suivi d’un multiplicateur à diodes et condensateurs pour obtenir cette tension à partir de 12V par exemple.

Personnellement je n’ai jamais encore travaillé avec ce genre de circuit mais à vue de nez cela me semble faisable.

Donc à faire…
aK

[Osgood]

Je suis aussi tombé il y a peu de temps sur des réalisations faites par quelqu’un très inventif.
A propos de convertisseurs, j’ai trouvé ça. A regarder aussi de plus près.

[mark]

@Osgood

il y a très longtemps que j’entends parler des convertisseurs à résonance, mais je n’avais encore jamais vu un schéma ni une réalisation amateur. Ce sujet m’intéresse donc particulièrement !

Il existe un livre en français sur le sujet :

[Osgood]

J’en ai acheté 1 (peut-être celui-là, dans une édition précédente) en…1987 ! Mais trop compliqué à l’époque pour moi (et cela reste compliqué…) donc pas mis en application et je suis passé ensuite à d’autres sujets. Quand je disais que ce n’était pas jeune !

[aK1969]

@mark

Il existe un livre en français sur le suje

Bonjour,

C’est une référence très intéressante si on veut aller au fond de choses. La lecture est un peu ardue quand même mais une première lecture en diagonale est suffisante.

Le chapitre III.3 page 129 dans la 3e édition est pertinent dans le cas présent.

Cordialement,
aK

[mark]

@aK1969

Le chapitre III.3 page 129 dans la 3e édition est pertinent

Oui mais pour seulement 20 pages sur un total de 310
Le titre du livre est quand même un peu trompeur.

[aK1969]

@mark

Oui mais pour seulement 20 pages sur un total de 310

C’est un sujet assez vaste avec pléthore des configurations et variantes dont seulement une qui nous intéresse aujourd’hui
en 20 pages on peut dire beaucoup…

[mark]

Oui bien sûr, c’est juste la couverture qui me dérange un peu, les convertisseurs à résonance ne représentant que 6% du livre.

[aK1969]

Le Mazzilli ZVS
Ce circuit est très populaire dans la communauté des gens qui s’amusent avec des experiences de haute tension, chauffage par induction et autres sous l’appellation Mazzilli ZVS driver du nom de la personne qui l’a introduit.

Choix de la fréquence de resonance
La fréquence de résonance a été choisie à 10 kHz pour diverses raisons dont l’explication deviendrait trop technique. L’encombrement en est une (valeurs et taille des inducteurs) et la saturation du transformateur à basse fréquence en est une autre. Etant donné qu’aux alentours de 10 kHz on aurait pu avoir un bruit audible à cause de la magnetostriction j’ai aussi testé la fréquence de 24 kHz.

Utilisation d’un transformateur secteur à 10 kHz, 20 kHz et plus
L’utilisation de un transformateur torique conçu pour 50 Hz à de fréquences jusqu’à 25 kHz ne pose pas de problème et j’ai pu aussi le confirmer moi-meme. Le skin effect peut être un souci à vérifier en fonctionnement réel si on ne dispose pas d’informations sur les caractéristiques(diamètres, isolation etc.) de fils utilisés pour les enroulements.
Par ailleurs monter en fréquence du moment ou le skin effect ne nous fait pas obstacle peut avoir des avantages puisque certaines pertes diminuent.
En revanche utiliser un transformateur à une fréquence plus basse que celle pour laquelle il a été conçu n’est pas aussi aisé.

Utilisation des inducteurs toroïdales
J’ai constaté à plusieurs occasions que les inducteurs toriques malgré leurs bonnes propriétés contre les interférences étaient souvent la cause des ennuis liés à la saturation de leur noyau à basse fréquence. Par exemple l’utilisation d’un inducteur torique à 0.47mH dans le circuit LC resonant ne marche pas comme il faut. Je n’ai pas cherché à trouver une explication malgré le fait que ça m’aurait arranger d’utiliser ce type d’inducteur. J’ai des soupçons mais pas d’explication definitive.