ElectroCard – Fiche de lecture
LB-18 — +5 to −15 Volts DC Converter
Auteur : Chance Dunlap
National Semiconductor — 1971
Pourquoi ce Linear Brief est important
Ce dix-huitième Linear Brief présente un convertisseur continu inverseur capable de produire une tension de −15 V à partir d'une alimentation unique de +5 V. Le montage est destiné à l'origine à l'alimentation de mémoires MOS intégrées dans un système logique ne disposant que du rail +5 V.
Le document expose le principe du stockage d'énergie dans une inductance, puis de son transfert vers une charge et un condensateur au moyen d'une diode. Il développe un ensemble d'équations simplifiées permettant d'estimer les durées de conduction et de blocage, la fréquence d'oscillation, le courant dans l'inductance et l'ondulation de la tension de sortie.
La réalisation pratique emploie un comparateur LM311 monté en multivibrateur astable, un transistor de commutation 2N5153, une inductance de 1 mH et une boucle de régulation constituée de Q1, D1 et du pont R1–R2.
Ce que l'on y apprend
• principe du convertisseur continu inverseur
• stockage d'énergie dans une inductance
• transfert de l'énergie par une diode
• génération d'une tension de polarité opposée
• calcul de la variation du courant dans l'inductance
• calcul des durées TON et TOFF
• estimation de la fréquence d'oscillation
• calcul de la décharge du condensateur de sortie
• estimation du courant moyen de recharge de C2
• utilisation du LM311 comme oscillateur astable
• commande d'un transistor de puissance PNP
• régulation de la tension négative par Q1 et une diode Zener
• influence de la boucle de régulation sur la fréquence et le rapport cyclique
• régulation en fonction de la tension d'entrée et de la charge
Les pépites techniques
• conversion de +5 V vers −15 V
• courant de sortie maximal annoncé de 200 mA
• rendement annoncé d'environ 75 %
• fréquence de fonctionnement mesurée d'environ 6 kHz
• rapport cyclique annoncé de 80 %
• ondulation de sortie de 100 mV sous 200 mA
• inductance de 1 mH
• condensateur de sortie de 500 µF
• transistor de commutation Q2 de type 2N5153
• diode de transfert D2 de type 1N3880
• oscillateur réalisé autour d'un LM311
• tension de sortie définie par la Zener D1, VBE et le rapport R1/R2
• régulation de ligne annoncée inférieure à 3 % pour VIN de 5 V à 10 V sous 200 mA
• régulation de charge annoncée inférieure à 3 % pour une charge de 0 à 100 mA sous VIN = 5 V
Les calculateurs ElectroCard réalisés
• Calculateur de TON selon l'équation (9) originale.
• Calculateur de TOFF.
• Calculateur de fréquence théorique.
• Calculateur de rapport cyclique.
• Calculateur de variation du courant dans l'inductance.
• Calculateur de variation de la tension du condensateur.
• Calculateur du courant moyen de recharge de C2.
• Calculateur du courant total estimé dans l'inductance.
• Comparateur entre les résultats National Semiconductor et le contrôle ElectroCard.
• Contrôle énergétique avec prise en compte corrigée du rendement.
• Alertes sur le courant de puissance et la saturation de l'inductance.
Applications décrites
• Alimentation négative pour mémoires MOS.
• Génération d'un rail −15 V à partir d'une logique +5 V.
• Convertisseur continu de polarité inverse.
• Alimentation auxiliaire négative de faible puissance.
• Systèmes ne disposant que d'une alimentation positive unique.
Points de vigilance ElectroCard
• Les équations utilisent implicitement la valeur absolue de VOUT, bien que la sortie réelle soit négative.
• L'équation (9) remplace le coefficient 2 par 1,5 pour tenir compte d'un rendement de 75 %.
• Dans le modèle simplifié employé, les pertes devraient au contraire augmenter l'énergie et la durée de conduction nécessaires.
• Une prise en compte cohérente du rendement conduirait à un coefficient 2/η, soit environ 2,67 pour η = 75 %.
• Le calcul original donne TON = 0,18 ms, TOFF = 60 µs et une fréquence voisine de 4,17 kHz.
• Le montage réel est pourtant annoncé à environ 6 kHz avec un rapport cyclique de 80 %.
• Q1 agit directement sur le nœud de temporisation C1–R5 du LM311 et modifie conjointement la fréquence et le rapport cyclique.
• Pour les valeurs publiées, la variation théorique du courant dans l'inductance atteint déjà environ 0,9 A.
• Le courant traversant Q2, D2 et L est donc nettement supérieur au courant de sortie de 200 mA.
• Le montage ne comporte aucune limitation explicite du courant.
• Aucune protection contre la saturation de l'inductance ou un court-circuit de sortie n'est représentée.
• La figure 3 utilise deux symboles de masse éloignés pour un même nœud, ce qui rend la lecture inutilement ambiguë.
• Les calculateurs associés sont historiques et pédagogiques ; ils ne constituent pas des outils de dimensionnement.
Intérêt historique
Publié en 1971, ce Linear Brief illustre une période où des fonctions aujourd'hui intégrées dans des contrôleurs de découpage spécialisés étaient réalisées à partir de composants génériques. Un simple comparateur LM311 assure ici l'oscillation et la commande du transistor de puissance, tandis qu'un transistor supplémentaire et une diode Zener ferment la boucle de régulation.
Le document montre de manière pédagogique le principe fondamental du convertisseur inverseur : l'inductance emmagasine de l'énergie pendant la conduction de Q2, puis restitue cette énergie vers la sortie négative par D2 lorsque Q2 est bloqué. Il témoigne également des limites des méthodes de calcul simplifiées et de la présentation parfois déroutante des schémas d'application anciens.
Niveau
★★★☆☆
Avis ElectroCard
Un Linear Brief historiquement intéressant et pédagogiquement utile pour comprendre le principe d'un convertisseur inverseur à inductance. Le montage montre comment obtenir −15 V sous 200 mA à partir d'une alimentation de +5 V avec un LM311 et quelques composants discrets.
Cette note doit toutefois être étudiée avec prudence. L'équation (9) paraît prendre le rendement en compte dans le mauvais sens, la fréquence calculée ne correspond pas à la fréquence annoncée en fonctionnement, et la boucle Q1–D1 agit directement sur l'oscillateur. Le courant réel dans l'étage de puissance est par ailleurs très supérieur aux 200 mA de sortie, sans limitation explicite ni protection contre la saturation de l'inductance.
Pour ElectroCard Analog Archives, la LB18 mérite une édition Premium Interactive essentiellement pour sa valeur historique, son explication du transfert d'énergie et l'analyse critique qu'elle permet. Le calculateur HTML associé reproduit les équations originales et les compare à un contrôle énergétique ElectroCard, mais il ne doit en aucun cas être utilisé pour dimensionner directement un convertisseur réel.