La vérité choquante sur les alimentations sans transformateur

Les alimentations sans transformateur apparaissent beaucoup ici sur Hackaday, en particulier dans les produits bon marché où le coût d'un transformateur augmenterait considérablement la nomenclature. Mais les alimentations sans transformateur sont une épée à double tranchant. Ce titre ? Pas de clickbait. Fouiller dans un appareil sans transformateur peut transformer votre oscilloscope en une pile fumante ou vous électrocuter si vous ne les comprenez pas et ne prenez pas les précautions de sécurité appropriées.

Mais ce n'est pas une pièce effrayante. Les conceptions sans transformateur sont excellentes à leur place, et vous en rencontrerez probablement un un jour car elles sont présentes dans tout, des ampoules LED aux commutateurs WiFi IoT. Nous allons voir comment ils fonctionnent et comment les concevoir et les utiliser en toute sécurité, car vous ne savez jamais quand vous voudrez peut-être en pirater un.

Voici la conclusion : les alimentations sans transformateur ne sont utilisables en toute sécurité que dans des situations où l'ensemble de l'appareil peut être enfermé et où personne ne peut accidentellement entrer en contact avec une partie de celui-ci. Cela signifie qu'il n'y a pas de connexions électriques physiques à l'intérieur ou à l'extérieur - RF et IR sont un jeu équitable. Et lorsque vous travaillez avec un, vous devez savoir que n'importe quelle partie du circuit peut être sous tension secteur. Maintenant, lisez la suite pour voir pourquoi !

Une alimentation sans transformateur (TPS) est fondamentalement juste un diviseur de tension qui prend le 115 ou 220 VAC de votre mur et le divise à la tension que vous voulez. Si cette tension doit être continue, elle est redressée par quelques diodes et peut-être régulée à une tension maximale, mais nous y reviendrons dans une minute.

Normalement, les diviseurs de tension continue sont constitués d'une paire de résistances. Combinés, ils définissent le courant circulant dans le chemin, et la résistance supérieure peut alors être choisie pour réduire la différence entre la tension d'entrée et la sortie souhaitée. Si, dans notre cas, cette différence est d'environ cent ou deux cents volts, même si elle ne doit passer que quelques dizaines de milliampères, cette résistance va chauffer rapidement.

Un meilleur composant à utiliser dans la partie supérieure du diviseur est un condensateur, avec sa réactance choisie pour donner la "résistance" souhaitée quelle que soit la fréquence du secteur où vous vivez. Par exemple, disons que vous voulez 25 milliampères à 5 V, et que vous êtes en Amérique et que vous devez laisser tomber 110 V. R = V / I = 4 400 Ω. En utilisant la réactance d'un condensateur, c'est C = 1 / (2 * pi * 60 Hz * 4400) = 0,6 μF. Si vous avez besoin de plus de courant, utilisez un condensateur plus gros et vice-versa. C'est si facile!

Une conception TPS entièrement élaborée nécessite quelques pièces supplémentaires. Pour la sécurité et pour limiter le courant d'appel, un fusible et une résistance de limitation de courant d'un watt sur l'entrée sont une bonne idée. Une résistance de décharge de grande valeur en parallèle avec le condensateur réactif l'empêchera de maintenir sa haute tension et de vous électrocuter lorsque le circuit est débranché.

Et en parlant de ce condensateur, c'est une partie critique du circuit. Il est soumis à des tensions alternatives élevées en permanence et en cas de court-circuit, la sortie « 5 V » est à la tension secteur et des pièces peuvent prendre feu. C'est un travail pour un condensateur classé X. Vous les verrez principalement marqués X1 ou X2, X1 étant capable de résister à des pics de tension plus élevés. L'un ou l'autre fera l'affaire, assurez-vous simplement qu'il est classé X et spécifié pour votre niveau de tension secteur.

Après le condensateur, le courant alternatif qui le traverse doit être redressé en courant continu. Un redresseur normal demi-onde ou pleine onde fonctionnera ici: une poignée de diodes et un condensateur de lissage de grande valeur. Si la charge n'est pas constante, vous souhaiterez probablement limiter la tension maximale vue par le condensateur avec une diode Zener, de sorte que l'excès de courant soit dérivé vers la terre lorsque la charge consomme moins que les 25 milliampères pour lesquels nous avons conçu. Ces pièces ne voient que les basses tensions, il n'y a donc pas d'exigences particulières ici.

Sachez enfin qu'il existe de nombreuses configurations possibles de ce circuit. Au lieu de laisser tomber la majeure partie de la tension entre la phase et notre appareil, il est également possible de connecter notre appareil directement au fil sous tension, avec le condensateur dans la jambe inférieure du diviseur de tension - le même circuit à l'envers. Le fusible et les résistances de sécurité peuvent bien sûr être situés n'importe où dans le circuit. Mais les bases sont les mêmes : le condensateur agit comme une jambe dans un diviseur de tension, suivi d'un redressement et d'une régulation, la charge étant l'autre jambe.

La grande mise en garde avec un circuit TPS est qu'il doit être isolé. C'est tout à fait bien pour un interrupteur IoT autonome ou un gradateur de lumière DIY. Un TPS convient parfaitement au contrôle radio ou IR. Les ampoules LED utilisent toutes des TPS à l'intérieur car elles sont bon marché et complètement scellées. Mais si vous envisagez de toucher n'importe quelle partie de ce circuit ou d'y brancher une ligne de signal, vous devriez plutôt regarder un transformateur.

Pourquoi l'isolement complet ? Notez que le fil qui sert de référence de masse au circuit est le même que la ligne neutre de votre maison (contrairement à la ligne "chaude"). Imaginez maintenant que vous mettiez la fiche à l'envers par erreur. Le sol est chaud, et bien que l'appareil fonctionne très bien car le courant alternatif est symétrique, il devient un risque d'électrocution si vous pouvez entrer en contact avec le "sol". Branchez un connecteur USB-série sur cet appareil, et vous venez de faire griller votre ordinateur portable via la ligne "terre". La première ligne de défense consiste donc à utiliser des fiches polarisées qui ne peuvent pas être mal branchées. Si vous vivez en Europe, ce n'est peut-être pas une option.

Mais même les fiches polarisées ne suffisent pas. Certaines vieilles maisons (y compris un appartement dans lequel nous vivions à Washington, DC) ont les lignes neutres et directes inversées. Encore une fois, vous ne le remarquerez jamais jusqu'à ce que vous touchiez un terrain "neutre" et réel en même temps, mais lorsque vous le faites, cela peut être fatal. Vous pouvez, et devriez probablement, tester cela avec un multimètre dès maintenant. Lorsqu'elle est référencée à la terre, la ligne neutre doit présenter sous un volt AC, tandis que la ligne directe indiquera 115 ou 220 VAC. Vérifiez-les par rapport à vos types de prises locales.

Quoi qu'il en soit, même si vous obtenez la bonne polarisation de la prise, il y a une différence entre les lignes neutre et de terre de votre prise murale. Les codes aux États-Unis et dans l'UE indiquent que le neutre est la ligne porteuse de courant et que la terre ne devrait, dans des conditions normales, en transporter aucune. Les disjoncteurs de fuite à la terre (GFCI) appliquent cela dans la pratique. Néanmoins, des charges élevées ailleurs dans votre maison associées à une résistance non négligeable dans le câblage peuvent entraîner une certaine tension V = IR sur la ligne neutre. Un déséquilibre sur le transformateur de service qui divise les "phases" de l'alimentation entrant dans votre maison peut également éloigner la tension neutre de la terre, selon l'endroit où elle est mise à la terre. En bref, le neutre devrait être autour du sol, mais ce n'est pas garanti.

La seule façon d'être absolument sûr avec ce circuit est de ne jamais entrer en contact avec lui. Mettez-le dans une boîte non conductrice ou une boîte métallique reliée à la terre de sécurité. S'il est branché à l'envers ou si le fil neutre chauffe, personne ne se blesse. C'est ce que font les pros.

Quoi d'autre peut mal tourner avec ce circuit? Nous avons choisi le condensateur réactif pour avoir la bonne résistance à 50 ou 60 Hz, mais il est moins résistif à des fréquences plus élevées. Si vous avez des dispositifs de commutation à haute fréquence quelque part dans votre maison, ils peuvent pousser un courant inattendu à travers votre TPS. Les pointes rapides de la ligne électrique traversent, par exemple, et leur amortissement est l'une des raisons de la résistance d'entrée. Coup de foudre? Blammo ! Autre chose qui peut mal tourner ? Laissez-nous un commentaire ! (Mais ne mentionnez pas Muphry.)

Une alimentation basée sur un transformateur sera légèrement plus chère et un peu plus grosse qu'un TPS équivalent. Mais si vous ne pouvez pas entièrement enfermer l'appareil, ou si vous ne pouvez absolument pas garantir la polarité de l'alimentation entrante, vous ne pouvez pas utiliser un TPS en toute sécurité. Pour une utilisation quotidienne personnelle, je choisirai toujours une alimentation à découpage ou une verrue murale. Ne vaut-il pas quelques dollars pour être isolé galvaniquement du mur ?

D'un autre côté, les TPS se trouvent dans toutes sortes d'appareils que nous aimons pirater, vous devez donc les reconnaître dans la vraie vie. Recherchez le fusible ou le gros condensateur X1 ou X2 et vous serez sur la bonne voie. (A-t-il une résistance de purge en parallèle ? Sinon, il pourrait être chaud.) La résistance de limitation de courant est la grande chose en céramique à peine visible derrière le capuchon X2. Le fusible est habillé pour une nuit en ville, portant un numéro noir en une seule pièce.

Ensuite, trouvez votre chemin vers la section de redressement - un redresseur pleine onde à quatre diodes et un condensateur de 100 μF dans ce commutateur mural RF bon marché. Les diodes pointent vers le rail CC positif et s'éloignent du négatif.

Cherchez maintenant des diodes Zener. Dans le cas de cet interrupteur contrôlé par RF, il y en a deux : un Zener 25 V utilisé pour activer le relais et un Zener 5 V qui alimente les circuits IC et radio. Il s'agit d'une fonctionnalité pratique du circuit TPS. Étant donné que le condensateur laisse passer du courant tant que la tension continue ne dépasse pas les pics alternatifs, vous pouvez obtenir pratiquement n'importe quelle tension ou plusieurs tensions du même circuit simplement en choisissant les bons Zeners.

Vous voudrez éviter autant que possible de travailler sur un TPS sous tension, mais il existe des moyens de le faire en toute sécurité. Il s'agit d'un cas de choix pour un transformateur d'isolement, qui interpose essentiellement le transformateur dans le circuit qui lui manque. Il y a toujours une paire de fils dans votre circuit avec 115 ou 220 V entre eux, mais au moins avec le transformateur, vous pouvez attacher votre 'scope à l'appareil.

Sans transformateur d'isolement, vous pouvez faire beaucoup avec un multimètre alimenté par batterie (non mis à la terre). Branchez l'appareil TPS sur une rallonge avec un interrupteur et maintenez cet interrupteur éteint autant de temps que possible. Pour prendre des mesures : débranchez le TPS, soudez les fils à l'endroit où vous souhaitez effectuer une mesure, connectez-les à votre multimètre, reculez et allumez la barrette d'alimentation. Une fois que vous avez fait la lecture, éteignez-la et attendez une coche avant de toucher quoi que ce soit.

La seule partie d'un TPS qui peut maintenir la charge est le condensateur réactif, et c'est pourquoi il devrait avoir une résistance de purge à travers celui-ci. Dans notre exemple de circuit, 0,6 μF * 1 MΩ = 0,6 seconde, et vous êtes probablement bon à attendre au moins cinq de ces constantes de temps avant de toucher quoi que ce soit, alors comptez jusqu'à trois. Le commutateur RF contourne un condensateur de 0,33 μF avec 220 kΩ, il est donc plus sûr et plus rapide. (Il utilise également deux résistances SMT en série, probablement parce que la tension nominale de l'une ou l'autre seule n'était pas suffisante. Conception intelligente.)

Vous pouvez savoir quelles parties du circuit sont à quelles tensions en les mesurant par rapport à la broche de terre de la prise murale. Par exemple, avec une résistance de sécurité de 560 Ω dans la branche de retour, la "masse" du commutateur RF flotte en fait à environ 12 VCA au-dessus de la terre. Cela vaut la peine de savoir quand on fouine. Encore une fois, connectez vos sondes, reculez, allumez, lisez, éteignez, attendez.

Et c'est tout ce qu'il y a à faire. Vous pouvez maintenant déterminer les tensions présentes dans l'appareil et les détourner à vos propres fins. Assurez-vous simplement que quoi que vous fassiez, tout rentre dans son bel étui. Parce que bien que les TPS soient omniprésents, petits et bon marché, ils sont potentiellement (tee-hee !) trop chauds pour être touchés.