La carte d'alimentation d'origine de ces jeux est d'une conception ancienne mais éprouvée et "'relativement"' simple de fonctionnement. Mais avec les années et le vieillissement des composants (notamment les condensateurs chimiques), elle tombe souvent en panne et c'est alors que commence la galère du démontage et du dépannage.
Je vous propose ici une nouvelle platine d'alimentation, au prix de revient modique (inférieur à 50 euros), protégée intégralement (surintensité, court-circuit, surchauffe), avec un nombre de composants réduit et un nouveau principe de régulation du 5V ne dissipant quasiment plus de chaleur. Une carte similaire existe aux USA depuis cette année, mais on peut faire encore mieux et "'made in France"' !
PRINCIPE EXISTANT
La carte d'origine repose sur le principe de la régulation dite "'linéaire"' (par opposition au "'découpage"' dont je parlerai plus loin) pour générer les 3 tensions principales: +5V, -12V et +60V :
Tout repose sur un transistor NPN de puissance polarisé comme suit :
- La tension d'entrée VE provenant du transformateur est appliquée sur son collecteur
- La tension de régulation VR, définissant la tension de sortie VS, est appliquée sur sa base
- La tension de sortie régulée VS, qui alimente en aval toutes les cartes électroniques, est disponible sur son émetteur
Le transistor NPN, appelé également "'ballast"', doit donc être en mesure de fournir tout le courant que la charge remande. Et c'est là l'inconvénient majeur d'un tel circuit : la différence de tension entre l'entrée et la sortie multipliée par le courant fourni est intégralement dissipée sous forme de chaleur par le transistor, et pour chauffer ça chauffe ! Prenons un exemple existant :
- VE = 14V (sortie du transformateur, redressée et filtrée)
- VS = 5V (cartes MPU + driver)
- I = 1A (fournie aux cartes)
Pour réduire cette fournaise à une température acceptable (inférieure à 70°C), il faut donc visser le transistor sur un dissipateur ou "'radiateur"', de taille calculée en conséquence, qui va dissiper toute cette chaleur. Plus le radiateur est de grande taille, plus sa résistance thermique diminue, donc la température en proportion. Par exemple, un radiateur de 12x7.5cm avec des ailettes de dissipation de 6.5cm peut atteindre une Rth aussi basse que 1.5°C/W. Voilà la raison du gros radiateur en L sur lequel la platine d'origine est fixée, d'autant qu'il faut en plus dissiper la chaleur produite par les circuiteries du -12V et du +60V.
NOUVEAU PRINCIPE DE REGULATION
Simple de conception et utilisant des composants très courants, une alimentation à régulation linéraire assure une tension de sortie très stable et très peu sensible aux variations de courant de charge et de tension d'entrée. En contrepartie, comme vu ci-dessus, on ne peut guère s'en servir que pour des courants et des différences entrée/sortie faibles vu que la chaleur à dissiper demanderait des radiateurs de taille prohibitive à courants et différences de tensions élevés. De plus, les pertes d'énergie sont elevées vu que toute cette chaleur résultant de la différence entre entrée et sortie est dissipée sur le radiateur, donc perdue.
On peut alors mettre à profit une technique de régulation différente, dite à découpage, qui repose sur des cycles de commutation d'une bobine, d'un transistor et d'une diode. On peut même faire des "'miracles"' avec ce genre de circuit, comme par exemple générer une tension de sortie VS supérieure à la tension d'entrée VE, ou même négative en partant d'une source positive, choses qui sont tout simplement impossibles avec une alimentation linéaire classique.
On peut distinguer 4 types d'alimentations à découpage :
- Buck pour avoir VS < VE, comme une alimentation linéaire classique
- Boost pour avoir VS > VE, par exemple pour alimenter un appareil en 5V avec une seule pile de 1.5V
- Buck-Boost pour avoir VS < 0 < VE, génération d'une tension négative à partir d'une tension positive
- Flyback plus complexe et utilisant un transformateur bobiné spécialement, permettant d'obtenir des tensions de sorties multiples combinant les 3 types ci-dessus (cas des alimentations de PC générant les 3.3V 5V 12V -5V -12V à partir du 220V)
GENERATION +5V
Dans notre cas, le type Buck sera utilisé pour générer le +5V. La circuiterie finale n'utilisera qu'une poignée de composants, pour une fraction infime de la chaleur dissipée par l'alimentation d'origine. De plus, il s'effectue un transfert d'énergie par la bobine entre l'entrée et la sortie. Pour simplifier (en "'oubliant"' les pertes de régulation), P = VS x IS = VE x IE donc si VS=5V VE=12V IS=1A, on a IE=0.4A seulement, ce qui soulage le transformateur d'autant, alors que dans une alimentation linéaire, IE ~= IS.
Seuls 6 composants seront en tout et pour tout nécessaires :
- Le circuit de régulation à découpage
- Le transistor de commutation (en général un transistor MOS)
- La bobine
- La diode
- Les 2 condensateurs d'entrée et de sortie
Il faut distinguer deux phases de commutation pour l'électronique de régulation :
- Transistor conducteur (fermé) : le courant passe à travers la bobine, qui se charge en énergie, et vers le condensateur C.OUT et la charge (VS) ; la diode est bloquée
- Transistor bloqué (ouvert) : le courant dans la bobine ne peut s'interrompre brutalement et continue de s'écouler dans la charge et le condensateur C.OUT grâce à la diode qui devient passante
ATTENTION ! Dans ce genre de circuit, la diode et le condensateur de sortie C.OUT sont deux composants critiques qui ne doivent pas être choisis à la légère.
La diode doit impérativement être du type "'schottky"' (ou bien "'ultra fast"' en 2ème choix) pour avoir une chute de tension la plus faible possible et un temps de commutation extrèmement court (on tourne ici à des fréquence de découpage de 50kHz et bien plus), ce qui exclut tout type de diode de redressement classique style 1N4007 ou 1N5404 !!
Le condensateur C.OUT doit lui être d'excellente qualité pour encaisser des pointes de courant importantes et présenter une résistance série équivalente (ESR) la plus faible possible, donc s'orienter vers les modèles "'low ESR"' qui ont en plus une durée de vie plus longue et tiennent des températures plus élevées (par ex. 5000h à 105°C contre 1000h au mieux pour les modèles classiques bon marché).
Pour le circuit, j'ai fixé mon choix sur le LM2576T-5 de National Semiconductors, car il intègre le transistor de commutation, délivre jusqu'à 3A et est intégralement protégé contre les court-circuits, surcharge et surchauffe. Un vrai petit bijou pour environ 4 euros. Plein d'autres circuits existent (STMicro, Texas..) mais certains nécessitent un semi-remorque de composants externes annexes.
Pour les curieux, l'excellent site web de National http://www.national.com vous donnera la spécification complète de ce circuit, et également des outils pour tailler sur mesure vos propres alimentations. On peut même obtenir le schéma en ligne !
Dans notre cas, les paramètres seront les suivants :
- VE min = 12V (transformateur à pleine charge)
- VE max = 15V (transformateur à faible charge)
- VS = 5V
- IS = 1.2A max (prévoyons large, la consommation réelle CPU + driver est inférieure à 1A)
Comme pour l'alimentation d'origine, il faut d'abord redresser la tension alternative venant du transformateur, et la filtrer (lisser) avec un gros condensateur chimique. J'ai prévu des diodes de 3A alors que le courant d'entrée calculé est bien inférieur à 1A, pour pouvoir délivrer sur un bornier à vis le 12V pour une utilisation additionnelle (par exemple mon afficheur géant). Une LED témoin complète le tableau. Ca marche si bien qu'avec un tout petit radiateur (2x1.5x1 cm) de 18°C/W, il est à peine tiède !
NOTE: On peut également remplacer le LM2576T-5 par un LM2576T-ADJ de la même famille, s'il coûte moins cher à approvisionner. Mais dans ce cas il faut implanter R4 et R3 (voir liste des composants) qui fixent la tension de sortie. Sinon, R4 est un strap isolé (ou une petite résistance de 1 à 4.7 ohms) et R3 reste vide.
GENERATION -12V
On aurait pu utiliser un régulateur "'buck-boost"' pour générer le -12V, mais vu que la carte MPU d'origine consomme moins de 300mA sur cette ligne, on peut tirer les prix et conserver le régulateur linéaire négatif (LM7912) d'origine, avec un petit radiateur vu qu'il va chauffer un peu. Une LED témoin jaune indique la présence du -12V. Noter la diode de protection en 'anti-parallèle' sur le régulateur, qui protège son transistor interne en cas de chute de tension brutale sur l'entrée.
GENERATION +60V
La carte d'origine utilise le transistor Q2 comme ballast, l'asservissement de sa tension de base VR étant fait par Q4 et CR10. Le dernier transistor Q3 assure la protection contre la surcharge en sortie. On peut remplacer tout ce joli monde par un seul régulateur linéaire haute tension, le TL783C de Texas Instruments. Une paire de résistances externes, R2 et R8, fixe la sortie à 60V. La valeur précise n'est pas critique, on peut se contenter de résistances classiques de précision 5%. Le hic c'est qu'avec près de 95V en tension d'entrée VE et 60V à obtenir en sortie VS, ce régulateur va chauffer comme un beau diable au moindre courant débité.
En pratique, ce courant n'excède pas 100mA, mais ça fait quand même plus de 3 Watts à dissiper. La ruse consiste à utiliser une résistance-ballast de puissance, R6, en amont du régulateur, qui va dissiper une partie de la puissance en faisant chuter de 15 à 20V la tension VE appliquée à l'entrée du régulateur, ce qui soulage nettement ce dernier qui peut se contenter alors d'un petit radiateur.
GENERATION TENSIONS ANNEXES
Manquent encore à l'appel quelques tensions:
- Le +42V pour le petit afficheur des parties, tiré du +60V en lui soustrayant la valeur (18V) de la diode zener D9
- Le +8V pour les gros afficheurs des scores, tiré du +12V général venant du transfo par la diode zener D3
- Le +4V pour le petit afficheur des parties, qui est simplement le +5V général (comme sur les system 80)
Voici la liste complète, avec les 2 couples de valeurs pour R3 et R4 selon si U1 est un T-5 ou un T-ADJ :
Référence(s) | Valeur | Note |
D1, D2 | 1N5404 à 1N5408 | |
D3 | Diode zener 8.2V 1.3W | BZX85C8V2 |
D4 | Diode schottky 1N5820 à 1N5822, ou 31DQ03, 31DQ04 | Attention composant important, voir texte |
D5, D6, D7, D8 | 1N4004 à 1N4007 | |
D9 | Diode zener 18V 1.3W | BZX85C18 |
D10 | Petit pont de diodes rond 1A/200V min | par exemple W04M (comme sur la photo) |
C1 | 2200 µf 25V min | chimique radial (debout) |
C2, C3 | 47 µf 25V min | chimique radial (debout) |
C4 | 1000 µf 16V min ESR | chimique radial (debout). Attention composant important, voir texte. Modèle conseillé : Panasonic FC Radiospares réf. 315-0619 (25V ESR, par lot de 5) |
C5 | 1000 µf 25V min | chimique radial (debout) |
C6, C7 | 10 µf 100V | chimique radial (debout) |
C8 | 220 µf 100V | chimique radial (debout) |
R1 | 330 à 680 ohms | 1/4W 5% |
R2 | 470 ohms | 1/4W 5% |
R3, R4 | dépendent de U1 | voir tableau ci-dessous |
R5 | 220 à 330 ohms | 1/4W 5% |
R6 | 220 ohms | bobinée 4W ou 5W. Modèle conseillé: 4W Radiospares réf. 199-8863 (2.61€HT/5) |
R7 | 1 Kohms | 1/4W 5% |
R8 | 22 Kohms | 1/4W 5% |
R9 | 4.7 Kohms | carbone 1W 5% |
L1 | 220 µH 1.5A min | verticale Modèle conseillé: Panasonic 220µH 2.5A ELC18B Radiospares réf. 233-5415 (1.76€HT) |
LD1 | LED 5mm verte | |
LD2 | LED 5mm jaune | |
LD3 | LED 5mm rouge | |
EXT | Bornier à vis 2 points 5mm | optionnel (voir texte) |
A2P1 | Molex mâle série KK 3.96mm 7 points | n'existe qu'en 8 points chez Radiospares (voir A2P3 ci-dessous), couper la broche en trop |
A2P2 | Molex mâle série KK 3.96mm 6 points | Réf. Molex 39-26-3060 Radiospares réf. 245-4566 (4.53€HT/5) |
A2P3 | Molex mâle série KK 3.96mm 8 points | Réf. Molex 39-26-3080 Radiospares réf. 245-4572 (5.31€HT/5) |
ou alors une rangée Molex KK sécable droite 24 points, à couper à la bonne longueur pour A2P1 A2P2 A2P3 | Réf. Molex 26-48-1245 Radiospares réf. 173-3048 (15.48€HT/10) | |
U1 | LM2576T-5 ou LM2576T-ADJ | + petit radiateur pour boitier TO-220(Lxlxh) 2 x 1.5 x 1 cm Rth=18°C/W maxi voir tableau ci-dessous pour R3 et R4 |
U2 | LM7912 | + petit radiateur pour boitier TO-220(Lxlxh) 2 x 1.5 x 1 cm Rth=18°C/W maxi |
U3 | TL783C | + petit radiateur pour boitier TO-220(Lxlxh) 2 x 1.5 x 1 cm Rth=18°C/W maxi |
Divers | 4 entretoises diam. 3mm autocollantes | Modèle conseillé: Richco 6.4mm de hauteur Radiospares réf. 280-9174 (16.03€HT/100) |
Divers | Graisse thermoconductrice silicone, Vernis rouge de blocage (JELT), Vis diam. 3mm longueur 10mm + rondelles dentelées ou grower | pour radiateurs U1 U2 U3 (voir texte) |
Référence U1 | Valeur R3 | Valeur R4 |
LM2576T-5 | rien (non implantée) | strap isolé ou résistance 1/4W de 1 à 4.7 ohms voir texte |
LM2576T-ADJ | 2 Kohms 1/4W, couche métal précision 1% | 6.19 ou 6.2 Kohms 1/4W, couche métal précision 1% |
- L'indication "min" pour les condensateurs fait référence à leur tension de service, qui ne doit pas être inférieure à celle indiquée. Une tension supérieure convient très bien, par exemple j'utilise une 1000uf 25V pour la capa ESR C4 spéciale alors que j'indique '16V min', mais la capa va alors grossir en taille, et risque de toucher les composants autour d'elle, donc bien vérifier que ça rentre toujours !
- Quand je donne une fourchette de valeurs pour les résistances par exemple, n'importe quelle valeur comprise dans la fourchette (y compris les valeurs extrèmes) convient très bien.
- Un bon site pour s'approvisionner (pub gratuite !) : http://www.gotronic.fr
CIRCUIT IMPRIME
Voici tous les plans nécessaires pour réaliser le circuit imprimé, ainsi que l'implantation des composants (pas de réel besoin de sérigraphie).
L'ensemble des composants prend place sur une platine de taille moitié moindre que la carte d'origine.
ATTENTION à 2 choses :
- La face soudures (inférieure) du PCB est déjà en miroir
- Lors de l'impression des faces supérieure et inférieure, prendre garde à l'échelle ! Souvent le pilote d'imprimante change légèrement l'échelle (vu sur une laser très haut de gamme) donc il faudra certainement retoucher les facteurs de mise à l'échelle X et Y jusqu'à obtenir un dessin aux dimensions exactes L= 13.71 cm et l= 6.35 cm qui sont d'ailleurs rappelées sur le schéma d'implantation (en mils = millièmes de pouces).
Cliquer ici pour le plan du circuit imprimé face soudures (inférieure) au format PDF "'PCB_SOUDURES.PDF"'
Cliquer ici pour le plan d'implantation des composants au format PDF "'PCB_IMPLANT.PDF"'
REALISATION
J'ai conçu un circuit imprimé à double face, surtout pour pouvoir ajouter quelques éléments de texte (les noms des connecteurs, leur broche 1, les broches de masse, les points de test...) sans payer un circuit imprimé "'pro"' avec sérigraphie. On peut même très bien faire l'économie de la face supérieure et graver un circuit imprimé simple face : dans ce cas, ne pas oublier l'unique strap sous les LED LD1 (verte) et LD2 (jaune).
Commencer par souder les résistances, petits condensateurs, LED, diodes, connecteurs et gros condensateurs. Les LED, condensateurs, diodes et régulateurs sont tous orientés de la même façon, pour minimiser les risques d'erreurs. Seule la diode D4 est à angle droit par rapport aux autres, et les deux diodes D1 et D2 sont montées verticalement en "'U"', côté bandé vers le haut (U1 et C1), voir la vue de côté. Le pont D10 a sa broche "'+"' dans le coin supérieur gauche, la pastille correspondante est carrée.
Finir par les 3 régulateurs. Ceux-ci doivent être montés au préalable sur un petit radiateur vertical pour boitier TO-220, de Rh inférieure ou égale à 21°C/W. Insérer un boulon M3 (longueur 10mm) dans le trou du radiateur, y faire glisser la semelle métallique du régulateur préalablement enduit de graisse silicone (pour mieux évacuer la chaleur), puis une rondelle de blocage (dentelée ou grower) et enfin un écrou M3. Serrer fort sans tout casser en maintenant le régulateur vertical, et immobiliser avec une goutte de vernis rouge.
Le cas échéant, les pattes 1 3 5 de U1 devront être pliées vers l'avant pour être décalées des pattes 2 et 4. Souvent, ce régulateur est livré avec les 5 pattes droites.
Ensuite souder chaque régulateur monté sur son radiateur. ATTENTION le radiateur ne doit toucher aucun autre composant ni aucune piste sur la carte !!
La broche 3 de A2P2 et la broche 2 de A2P3 font office de détrompeur et sont à couper à ras du plastique du connecteur.Le bornier "'EXT"' est optionnel.
La résistance de puissance R6 sera montée "'sur échasses"', à 2 cm au-dessus du circuit imprimé, pour qu'elle évacue mieux sa chaleur. Si vous avez opté pour le type que je préconise chez Radiospares, les pattes sont déjà préformées pour cela.
Si le type de bobine utilisé est du type bobinage sur tore, plus volumineux que celui que je préconise, l'immobiliser (après soudage) sur le circuit imprimé avec du vernis ou de la colle à chaud (pistocolle).
Dans le cas d'un circuit imprimé double face, penser à souder sur les 2 faces les points suivants, pour renforcer le plan de masse, connecter les points de test et faire l'unique strap :
- Les 2 pastilles reliées ensemble par une piste horizontale sous LD1 et LD2 (la piste sera remplacée par un strap dans le cas d'un circuit imprimé simple face)
- Les pattes 3 et 5 de U1
- L'anode de D4 (côté droit, non bandé)
- La patte droite de R3 (au-dessus de U1)
- La patte droite de R8 (au-dessous de U3)
- La patte inférieure de D3 (à droite de U2)
- La patte inférieure de R9 (à droite de U2)
- La patte inférieure de R7 (à droite de LD2 jaune)
- Les 2 pattes de D9
- La patte gauche (+) de C3
FIXATION DANS LE FLIP
L'étrier et le radiateur de fixation d'origine ne servent plus. Il suffit d'insérer 4 entretoises adhésives de diamètre 3mm dans chacun des trous aux 4 coins du circuit imprimé, puis enlever le film protecteur de l'adhésif, positionner la carte dans le fronton (avec A2P1 vers le bas) en s'assurant bien que le câble de liaison A2P2 vers MPU est assez long, et presser fortement contre la plaque métallique qui couvre tout le fond du fronton. Si cette plaque est sale, ne pas hésiter à la dégraisser au préalable à l'alcool ménager ou à l'acétone pour améliorer le collage.
ESSAIS
N'insérer que A2P1 dans un premier temps. Attention au sens d'insertion ! Le connecteur d'origine femelle (qui vient des transfos) ne possède pas de détrompeur. Pour s'aider, la broche 3 (en partant de la gauche) est un fil de masse vert qui va en regard de la flèche que j'ai dessinée sur la face supérieure du circuit imprimé.
A l'allumage du jeu, les 3 LED doivent s'allumer en même temps et avec la même brillance. Vérifier ensuite au multimètre la présence des bonnes tensions aux points de test +5 -12 +60 +42 +8. La masse peut-être également prise sur la borne droite du bornier "'EXT"'. Une précision de +/- 5% est admise sauf sur le +5V qui doit être précis à +/- 1%.
Eteindre ensuite le jeu, attendre que les 3 LED s'éteignent (décharge des condensateurs), brancher A2P2 et A2P3 et rallumer. Répéter les mesures de contrôle ci-dessus. Les 3 LED doivent être toujours allumées à l'identique et les afficheurs doivent s'éclairer. Le jeu est pleinement opérationnel !
ECONOMIES POUR LA PI-1
Si ma propre carte CPU de remplacement "'PI-1"' est utilisée à la place de celle d'origine, on peut faire les économies suivantes vu qu'elle est bien moins gourmande en énergie :
- U1 devient un LM2575T-5 (ou T-ADJ) qui peut débiter 1A maximum contre 3A pour le LM2576 ; les remarques sur R3 et R4 s'appliquent à l'identique
- La bobine L1 devient une 470 µH 1A
- Les composants générant le -12V (D5 D6 D7 C3 C5 U2 R7 LD2) peuvent être omis
En outre, si aucun appareil externe n'est destiné à être branché sur le +12V, on peut :
- remplacer C1 par une capa 1000 µf 25V
- remplacer D1 et D2 par des 1N4004..1N4007 (comme D5 D6 D7 D8)
- omettre le bornier "'EXT"'
La partie 60V peut être remplacée par un régulateur "'boost"' type LM2577, pour générer le +60V à partir du +12V. C'est ce que j'ai développé pour ma carte combo "'PI-1 X4"', ça marche d'enfer, ça ne chauffe plus du tout et le fusible de 0.25A sloblo sur le 60VAC dans la caisse peut être enlevé !
Inconvénient : ce régulateur coûte plus cher (environ 8 euros) que le TL783C (environ 4 euros) et il faut compter en plus la bobine, la diode et le condensateur spéciaux.
J'ai mis à profit ce montage dans ma nouvelle carte d'alimentation pour system-80 dont je parlerai dans un prochain article suivant.
Bon flip,
Pascal.
(Juillet 2004, modifié Décembre 2004)