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L’alimentation est un dispositif qui occupe une grande importance dans tout appareil électronique : télévision, GBF, PC … et dans tout dispositif électronique : amplificateur opérationnel, modulateur, filtre actif…. Pour cela, la gamme des alimentations va de la plus simple à des niveaux de sophistication incroyable. Il est alors intéressant de connaître l’intérêt des alimentations suivant les exigences techniques de chaque appareil.
C’est ainsi que ce présent mémoire traite de plus près l’alimentation la plus complexe mais qui est devenue la plus utilisée actuellement dans les appareils de qualités et de précision. C’est « l’alimentation à découpage » . Mais pour mieux traiter ce type d’alimentation, il nous faut d’abord voir l’alimentation la plus classique : l’alimentation stabilisée. Ce mémoire comporte alors deux parties.
NECESSITE DE L’ALIMENTATION
Chaque appareil ou dispositif électronique nécessite son propre alimentation. On peut constater qu’il est nécessaire d’avoir une tension continue ou alternative de tel niveau pour untel appareil.
Types et valeurs usuels des tensions
Comme type de tension, on peut voir des tensions continue et alternative. Mais il y a aussi d’autres formes : carré, dent de scie… Les valeurs typiques pour les tensions alternatives sont les 110v, 127v, 220v, 240v fournies par le secteur. Pour les tensions continues, il y a fréquemment les 1.5v aux 130v.
Taux d’ondulation
Par définition, le taux d’ondulation est le rapport de la valeur efficace de l’ondulation à la valeur moyenne de la grandeur ou à la valeur continue dans le cas de débit sur condensateur. Ce taux est déterminé par le choix du condensateur d’un redresseur. Car une tension alternative redressée débitée sur une résistance pure présente 50% de taux d’ondulation alors qu’avec un condensateur en parallèle avec une charge résistive on en aura moins.
Stabilité
Le facteur de stabilisation ou stabilité est un facteur utile pour les appareils pour ne pas abîmer ses composants. En effet, les variations de la tension alternative du secteur peuvent atteindre les 10 à 15% de sa valeur normale. Ainsi sans stabilisation, cette valeur de la tension peut passer les 240v pour 220v à la normale. Ce qui provoquerait des claquages des composants. Alors la stabilité est exigée par les différents appareils à S<3%. Ce choix de stabilité est obtenu par le choix du régulateur de tension d’une alimentation.
Rendement de l’alimentation
On trouve des rendements allant de 35 à 90%.
Et une puissance massique de 10 à200W/kg .
Ces critères techniques sont utiles pour le bon fonctionnement des appareils. Ce sont les caractéristiques des alimentations. Ce qui démontre l’intérêt de l’alimentation.
ALIMENTATION A DECOUPAGE
Généralités
Les structures d’alimentation à découpage telles que nous les rencontrons actuellement sont en fait directement dérivées de la structure des alimentations stabilisées, où l’on aurait cherché à minimiser les deux inconvénients principaux des alimentations dites linéaires :
– la taille et le poids du transformateur
– le mauvais rendement dû à la puissance dissipée dans le régulateur.
Sur un plan fonctionnel, le régulateur est un convertisseur continu continu (une source de tension à valeur moyenne non nulle en entrée, une source de tension à valeur moyenne non nulle en sortie), asservi en tension. La puissance dissipée par le régulateur est due au caractère linéaire du fonctionnement du composant, à savoir qu’il présente simultanément une tension non nulle à ses bornes, et un courant non nul le traversant. Il est possible d’obtenir la même fonction en utilisant un hacheur (série par exemple) associé à un filtre, le tout asservi en tension. Dans ce cas, le transistor de puissance utilisé pour moduler la tension en sortie du montage fonctionne en régime de commutation, et présente des pertes de fonctionnement beaucoup plus faibles (le composant est soit bloqué, et le courant qui le traverse est nul, soit passant et la tension à ses bornes est proche de zéro) .
L’utilisation d’une association hacheur + filtre + régulation permet donc d’améliorer considérablement le rendement de notre alimentation, mais permet également, indirectement, de réduire le volume et la taille du transformateur. En effet, la meilleure façon de réduire la taille d’un circuit magnétique, notamment pour un transformateur, est d’augmenter sa fréquence de fonctionnement. Si l’on étudie la formule dite «de Bouchereau » qui relie la valeur efficace de la tension aux bornes d’un enroulement à la fréquence, à la surface du circuit magnétique et à l’induction crête en régime sinusoïdal : U ,4 44 f.S.n.B. = , il apparaît que pour diminuer la surface du circuit magnétique (et donc son poids et son volume) à induction constante, sans modifier le nombre de spires (ce qui augmenterait le volume du transformateur), il suffit d’augmenter la fréquence.
Dans une alimentation stabilisée classique, le transformateur est placé directement sur le réseau, et fonctionne donc à 50 Hz. Dans une alimentation à découpage, il est possible de placer le transformateur entre l’hacheur et le filtre. De cette façon, il est alimenté par une source de tension alternative (la tension de sortie de l’hacheur), mais fonctionne à la fréquence de l’hacheur, généralement de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de mega-hertz.
Principe général de l’alimentation à découpage
Le secteur alternatif est redressé puis filtré. La tension continue obtenue est « découpée » par un ou plusieurs interrupteurs (transistors bipolaires ou MOS). Ce découpage s’effectue en général à des fréquences supérieures à une vingtaine de KHz (au-delà des fréquences audibles) jusqu’à 100 MHz. Le transfert d’énergie de l’entrée vers la sortie, se fait par l’intermédiaire d’une inductance ou d’un transformateur qui stocke l’énergie sous forme magnétique puis la restitue au rythme du découpage. La régulation de tension se fait par action sur le temps de conduction de(s) l’interrupteur(s).
Puisque l’interrupteur fonctionne en commutation, les pertes du montage sont faibles. Elles se décomposent en pertes de conduction et pertes de commutation. Elles seront beaucoup plus faibles que dans le cas d’une alimentation fonctionnant en linéaire.
Par ailleurs, plus la fréquence de découpage sera élevée, plus les dimensions de l’inductance ou du transformateur pourront être réduites. On gagnera ainsi en encombrement.
INTRODUCTION GENERALE |
