LES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE - Electronique

1 J AUVRAY Syst mes Electroniques ---------------------------------------- ---------------------------------------- ---------------------------------------- ALIMENTATIONS d coupage 1 LES ALIMENTATIONS A DECOUPAGE Pour augmenter le rendement d un r gulateur une id e qui peut vous venir l esprit est de remplacer le transistor ballast par un commutateur de r sistance n gligeable alimentant p riodiquement un condensateur de fa on maintenir aux bornes de ce dernier une tension dans une marge troite. Le sch ma serait alors le suivant : La batterie d accumulateurs 12V charge via le commutateur K le condensateur C .Lorsque la tension aux bornes de ce dernier atteint 5V le trigger de Schmitt commande l ouverture de condensateur se d charge alors en fournissant la charge un courant Is. Lorsque la tension tombe par exemple en dessous de 4,9V le trigger bascule de nouveau et ferme K.

2 C se charge de nouveau et le cycle recommence. Au premier abord il semble que ce syst me a un tr s bon rendement puisque le commutateur ayant une r sistance n gligeable la puissance qu il dissipe est nulle. Malheureusement ce n est pas le cas, il est impossible de n gliger la r sistance en s rie avec K sinon le courant de charge serait infini. Le calcul montre que la puissance dissip e dans cette r sistance , si faible soit elle ,est la m me que celle qui serait dissip e dans une r sistance fixe qui parcourue par le courant Is fixerait la tension de sortie 5V , soit P= (12-5).Is. Le syst me a le m me rendement qu un r gulateur classique avec ballast .De plus l ondulation r siduelle qui est d termin e par l cart des seuils du trigger est difficile filtrer car sa fr quence n est pas d finie; elle est d autant plus faible que le courant Is est petit et tend vers 0 pour Is=0. L analyse de ce syst me conduit cependant la solution.

3 La r sistance r du commutateur est n cessaire pour limiter le courant de charge, mais elle dissipe de l nergie. Il faudrait la remplacer par une imp dance capable de limiter le courant mais non dissipative ,c est exactement ce que peut faire une self . Avec une self en s rie avec le commutateur le sch ma est utilisable pour r aliser des ALIMENTATIONS de bonnes performances mais il reste le probl me de l ondulation r siduelle qui ne peut tre limin e que par un filtrage Pour fixer la fr quence de l ondulation r siduelle il suffit de faire travailler le commutateur K une fr quence fixe, on parle de commutation forc e, la r gulation du courant ne peut alors tre obtenue qu en modifiant le rapport cyclique. La majorit de ALIMENTATIONS d coupages partent de ce principe. De nombreux sch mas ont t propos s , ils mettent en uvre ou non un transformateur. Comportement des selfs et transformateurs en r gime de commutation Pour bien comprendre le fonctionnement des ALIMENTATIONS d coupage il faut tudier d abord le comportement des selfs et transformateurs lorsqu ils sont associ s des interrupteurs.

4 D abord le cas d une self aliment e partir d une source continue E travers un interrupteur K . Lorsque K se ferme , la tension E est appliqu e la self : tLEIdoncdtdILE= = le courant augmente lin airement. Si le noyau magn tique de la self se sature la self diminue lorsque le courant augmente et ce dernier croit de plus en plus rapidement (courbe en rouge ). A l ouverture de K le courant ne pouvant plus circuler la tension augmente jusqu' claquage de K . Pour viter ce claquage on place en parall le Charge d un condensateur travers un commutateur +VnsKC+512 VTrigger de SchmittIs Self et commutateur id al K+ELK+ELDR12 ouvert K ferm DZRZDE-Vz-0,6-0,6 R gulation par self et trigger +VnsK+512 VTrigger de SchmittIsL J AUVRAY Syst mes Electroniques ---------------------------------------- ---------------------------------------- ---------------------------------------- ALIMENTATIONS d coupage 2 sur L un composant qui peut tre une diode (diode de roue libre ) , une diode Zener ( en s rie avec une diode ) ou une r sistance.

5 Apr s ouverture de K l volution du courant est tr s diff rente dans les trois cas. En pr sence d une r sistance le courant d cro t exponentiellement ainsi que la tension. )exp(0tLRII = I0 tant le courant circulant dans L l ouverture de K Th oriquement la tension ne s annule jamais . En pr sence d une diode , la tension aux bornes de cette derni re est presque constante 0,7V ; la d croissance est lin aire avec une pente -0,7/L En pr sence d une diode Zener la tension est maintenue Vz-0,7 tant que le courant n est pas nul, la pente (0,7+Vz)/L est plus grande qu avec la diode seule .La tension aux bornes de la self est constante et s annule brusquement lorsque le courant s annule (Courbe en bleu sur la figure ci contre ). Le comportement d un transformateur est plus complexe. Pour plus de simplicit nous nous placerons dans le cas d un couplage magn tique parfait . On sait alors que vu de l entr e le transformateur est quivalent sa self primaire en parall le avec la r sistance ramen e.

6 Lorsque l interrupteur K se ferme le courant primaire poss de donc deux composantes ,une dans la self qui croit lin airement avec le temps (courant de magn tisation ) , l autre dans la r sistance ramen e qui est constante. Tant que le courant de magn tisation du primaire augmente la tension aux bornes de la r sistance secondaire est la tension primaire multipli e par le rapport des nombres de spires et le courant secondaire V2/R constant . Ouvrons alors l interrupteur K . La self primaire est alors parcourue par un courant de magn tisation que nous appellerons IM1max. elle stocke une nergie magn tique 2max1121 MIL sous forme de flux Le courant primaire tant interdit par l ouverture de K ce flux qui ne peut pas dispara tre en un temps nul ne peut tre cr e que par un courant secondaire circulant dans le sens convenable (fl ches rouges sur la figure ) La valeur instantan e de ce courant est donc telle que l nergie est conserv e , soit : 2222max112121 MAXMILIL= soit : MAXMMAXMMAXInnILLI1211212 == C est un courant entrant comme l tait I1 , la tension qu il cr e aux bornes de la charge R est donc n gative.

7 Il d cro t ensuite exponentiellement avec la constante de temps L2/R. Si le transformateur n est pas parfait la commutation de son primaire n est pas possible, en effet on peut repr senter le transformateur non parfait comme un transformateur parfait associ deux selfs de fuite non coupl es. La coupure du courant primaire produirait une surtension infinie aux bornes de cette self de fuite. Il faut donc toujours placer un l ment en parall le sur le primaire , diode ou r sistance pour permettre l coulement de l nergie. Comportement d un transformateur id al en commutation RL1,n1n2V1V2R1=R(N1/N2) L1KK Courants et tensions sur un transformateur parfait commut . I1 Courant totalV2EE(n2/n1)I2E2/RRL1,n1n2V1 KTransformateur r el L 1L 2Lf1Lf2 J AUVRAY Syst mes Electroniques ---------------------------------------- ---------------------------------------- ---------------------------------------- ALIMENTATIONS d coupage 3 Circuit abaisseur de tension ,convertisseur Buck ou hacheur s rie Le sch ma de base est pr sent ci contre.

8 L interrupteur K est bien s r un MOS de puissance de faible Ron. Il est command par un signal rectangulaire p riodique de p riode T et rapport cyclique k ,ferm pendant kT ouvert pendant (1-k)T au cours de chaque p riode. Pour faire le calcul nous supposerons : 1 Que le courant dans L ne s'annule jamais. 2 Que le condensateur C de sortie est assez grand pour que l' quilibre tant atteint on puisse admettre que la tension de sortie ses bornes est constante. Nous n gligerons aussi la tension de conduction de la diode ,il est facile d'en tenir compte, les formules sont un peu plus complexes. A la fermeture de K la tension au point A est impos e par la source , VA=E et la self a une tension ses bornes de (E-Vs).Le courant qui la traverse a pour expression : tLVEIISLL +=0 A la fin de cette p riode de charge, le courant dans L a augment de kTLVEIS = (1) Pour le moment D est bloqu e.

9 K s'ouvre, le courant dans L ne peut pas s'annuler instantan ment, il ne peut que passer par D , la tension en A est alors -VD, tension de conduction que nous avons d cid de n gliger. La tension aux bornes de L est alors VA-VS=-VS , et le courant dans L volue en tLVS A la fin de la p riode il a vari de TkLVS)1( (2) En r gime permanent le courant a retrouv la valeur qu'il avait en d but de p riode , soit : 0)1(= TkLVkTLVESS quation d'ou l'on tire la valeur d' quilibre de Vs kEVS= R sultat surprenant, la tension ne d pend que de E et du rapport cyclique et est ind pendante du courant fourni l'ext rieur. Cependant nous avons suppos que le courant dans L ne s'annulait jamais Calculons la variation I de ce courant. De l' quation (1) nous tirons : SVEILkT = Et de (2) SVILTk = )1( En ajoutant terme terme ces deux galit s il vient : )1(1)1(1kkELfEVVLfISS = = Le courant ayant une forme triangulaire, sa valeur moyenne , qui est le courant de sortie , est situ e mi hauteur.

10 Si le courant d bit l'ext rieur change , la courbe se d place verticalement parall lement l'axe I .Le cas limite , courbe en rouge , au del de laquelle le courant s'annulerait Circuit Buck DLCILLSICIDASEKTKTK ferm K ouvert Forme du courant IILT J AUVRAY Syst mes Electroniques ---------------------------------------- ---------------------------------------- ---------------------------------------- ALIMENTATIONS d coupage 4 correspond donc Is= si R est la charge de sortie Vs= La condition de non interruption s' crit donc : RVIS2< C'est dire en rempla ant le premier membre par sa valeur et en explicitant R : SVELfER <2 C'est une limitation pour des valeurs grandes de R , la charge doit tre inf rieure cette limite .Une alimentation d coupage doit pour fonctionner d livrer un courant sup rieur une valeur minimale. Elle ne peut pas fonctionner vide. Nous avons suppos que la tension de sortie tait constante, ce n'est bien s r pas rigoureusement le cas.