Alimentation pour tubes Nixie

Je vous ai parlé de tubes Nixie dans un précédent article et depuis j’ai fini la conception et la réalisation de la carte d’alimentation. Je reviens aujourd’hui avec plus de détails sur cette alimentation dont vous avez pu voir un aperçu sur Twitter :

Et la carte est faite 🙂 pic.twitter.com/S5DFHzEmR8

— Pierre Gradot (@pgradot) March 1, 2015

D’ailleurs, si vous avez Twitter, suivez-moi 🙂

Eagle

Plutôt que d’utiliser Kicad comme je l’avais fait pour mon knitting counter,  j’ai suivi les conseils de mes camarades de l’INSA et j’ai utilisé la version gratuite d’Eagle pour faire cette carte. Je suis content de ce choix. Pour commencer, il existe un installateur pour Mac et il s’agit bien de la même version du logiciel que pour les autres systèmes, pas un ersatz au rabais. Le logiciel est assez simple d’utilisation, pour autant que de la conception de cartes électroniques puisse être simple. Eagle travaille beaucoup à coup de commandes façon ligne de commandes. On retrouve des choses comme ADD, NET, DELETE, etc. Un peu étonnant au début mais plus simple que d’apprendre les raccourcis claviers. Le point que j’ai le plus apprécié pour prendre en main le logiciel est qu’il existe des tutoriels à jour et de très bonne qualité  pour débutants. On trouve visiblement beaucoup de ressources sur Internet. Et mine de rien, ce n’est pas négligeable pour adopter un logiciel !

Si vous débutez avec Eagle, vous pouvez lire le tutoriel officiel, mais je vous recommande surtout le tutoriel de Sparkun, Using Eagle, vraiment très très bien fait. Il y a deux parties, Using Eagle: Schematic et Using Eagle: Board Layout.

Schéma

J’ai bien sûr commencé par le schéma de la carte. Rien de bien sorcier dans ce design, le plus pénible est de trouver les bonnes références pour les composants dans la bibliothèque touffue d’Eagle.

À droite, il y la capacité de découplage de l’alimentation d’entrée et surtout la partie de contrôle de l’alimentation à découpage. Le NE555 est en mode astable et produit un signal carré dont la fréquence est de 34 kHz et le rapport cyclique de 75 %. Ce signal de sortie est nommé SWITCHING et ouvre et ferme le MOSFET Q1.

À gauche, on retrouve le classique d’une alimentation à découpage et la boucle de retour dont j’ai parlé dans le précédent article. Il y a les composants « de puissance » avec la bobine L1, la diode D1, le MOSFET Q1 et le condensateur C3 aux bornes desquelles on va obtenir la tension de sortie élevée pour alimenter nos tubes Nixie. Le principe du circuit est plutôt simple. Lorsque Q1 est fermé, le courant circule dans L1 et Q1, et la bobine L1 se remplit d’énergie. Quand Q1 s’ouvre, la bobine s’oppose au changement du courant et va alors envoyer son énergie dans la condensateur C3 à travers la diode D1. Puis Q1 se ferme à nouveau et ainsi de suite. Quand Q1 est fermé, C3 fait officie de réserve d’énergie pour continuer d’alimentation la charge et la diode D1 empêche que C3 se décharge directement à la masse via Q1. Il y a un équilibre à trouver entre fréquence et rapport cyclique du signal SWITCHING. En effet, si Q1 reste ferme trop peu de temps, la bobine n’a pas beaucoup d’énergie à envoyer à C3 quand Q1 s’ouvre ; et si Q1 reste fermé trop longtemps, il y a trop d’énergie et la tension de sortie s’élève. La charge peut aussi impacter car si elle consomme beaucoup, il faudra stocker plus d’énergie dans C3. C’est pour ça qu’on met une boucle de retour. Lorsque la tension de sortie de devient trop forte, la boucle de retour avec son signal FEEDBACK va ralentir le NE555 pour ainsi réduire cette tension de sortie. Le potentiomètre R6 permet d’ajuster la valeur de sortie. À vide, on peut obtenir une tension de sortie OUTPUT_VOLTAGE comprise entre 70 et 240 V et sans boucle de retour, le voltmètre indique 299 V.

Enfin, en bas, il y les connecteurs pour les entrées et sorties.

 Routage

Le routage est une sorte de jeu de puzzle. Quand on commence, on a du mal à assembler les morceaux, mais on finit par y arriver !

Il y un strap, il est évitable en faisant un long détour mais comme je ne vais pas lancer une production en masse, ce n’est pas embêtant. Comme le PCB allait être tiré à la main, j’ai fait des pistes assez larges (0.04 inch), j’ai grossi un peu les pastilles (dans Tools, DRC, Restring, j’ai mis 75 % au lieu de 25 % normalement) et le plan de masse laisse une bonne isolation (0.032 inch). J’ai réalisé mes propres composants Eagle pour les connecteurs (de chaque côté de la carte) en suivant ce tutoriel de Mike Silverman, How to Create a New Device in Eagle.

 Fabrication

Quand je lui ai demandé conseil sur le routage, mon collègue Brice m’a proposé de fabriquer chez lui le PCB. Euh… d’accord ! Je n’ai pas encore récupéré les photos, je vous monterai ça une prochaine fois. En tout cas, un gros merci à lui !

Pour finir, j’ai sorti les composants de ma plaquette d’essai et je les ai soudé sur ma carte (sauf le gros condensateur vert bizarre de 10 nF, j’en ai acheté des tout beaux tout neufs).

Sources

Les sources du projet Eagle sont disponibles sur Github (https://github.com/Bktero/Nixie) sous licence CERN Open Hardware Licence (CERN Open Hardware Licence).

Je vais maintenant m’attaquer à la partie de contrôle des tubes…