ALIMENTATIONS STABILISEES

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1 BTS ALIMENTATIONS STABILISEES. CHOIX D UNE ALIMENTATION A COURANT CONTINU :.... SCHEMA D ALIMENTATIONS STABILISEES :..... SCHEMA FONCTIONNEL :..... ALIMENTATION SIMPLE : ALIMENTATION DOUBLE : ALIMENTATION VARIABLE : METHODE POUR DIMENSIONNER LES CONSTITUANTS : CHOIX DES CONSTITUANTS DANS LE CAS D UNE ALIMENTATION SIMPLE : LE REGULATEUR : LE CONDENSATEUR DE FILTRAGE : DETERMINATION DU COURANT SECONDAIRE I (APPROXIMATION ) : CHOIX DU TRANSFORMATEUR : CHOIX DES DIODES : LE DISSIPATEUR THERMIQUE : CONCLUSION : EXEMPLE : ALIMENTATION ± V, A : BIBLIOGRAPHIE : ANNEXES :... O.DEHAUPAS

2 . Choix d une alimentation à courant continu : Il faut définir le besoin ( cahier des charges ) : Tensions de sorties Courants de sorties Encombrement Tension d alimentation ( batterie, réseau EDF ) Coûts Généralement il nous faut choisir entre 3 types d alimentation : Alimentation à découpage Alimentation linéaire «transistor ballast» Alimentation linéaire «stabilisée» Toutes valeurs de tension et courant Faible puissance massique a partir du réseau EDF Pollution de l environnement (électromagnétique) mauvais rendement Faible puissance <35 w Bon rendement Principale application : Laboratoire de mesure Tension 4 V Courant 5 A Minimum de composants Facile a faire et peu onéreux Faible rendement Critère économique :. La faire soi - même ( temps passé, coûts des composants ). L acheter toute faite ( marque Lambda-Coutant,etc...) 98 % des cas.. Schéma d alimentations stabilisées :.. Schéma fonctionnel : EDF 30 V Abaisser la tension. oler galvaniquement Annuler la composante négative Lisser la tension Eliminer l ondulation de la tension Transformateur Diodes Condensateur Régulateur Tension continu constante v Vs t t t Réflexion d Hubert Rébasc : Pour monter à cheval sur une bicyclette sans tomber, il faut être un excellent dresseur.

3 .. Alimentation simple : v R EDF V F v 30 V C C C Vs.3. alimentation double : EDF C C C - - Vs 30 V C C -Vs C alimentation variable : Vs = k. LM37 EDF V F v 30 V C f f C C Vs Réflexion d Hubert Rébasc : Quand on est sur la corde raide, on s aperçoit que la vie tient à un fil. 3

4 3. Méthode pour dimensionner les constituants : 3.. méthode «générale» : On choisi le régulateur On choisi une valeur de tension de sortie du transformateur ou une valeur d ondulation de la tension aux bornes du condensateur On détermine les angles limites de conduction des diodes et on choisi le condensateur On calcul le courant efficace du secondaire du transformateur On choisi le transformateur On choisi les diodes On choisi le dissipateur thermique 3.. Méthode «graphique» : On choisi le régulateur On s impose un coefficient A=0 correspondant au minimum de puissance apparente du transformateur. Par lecture des graphes, on détermine les valeurs de l ondulation,des courants, des angle limites de conduction des diodes, de la puissance apparente du transformateur. On choisi le condensateur de filtrage. On choisi le transformateur On choisi les diodes On choisi le dissipateur thermique 4. Choix des constituants dans le cas d une alimentation simple : 4.. Le régulateur : Critères de choix :. Tension de sortie. Courant de sortie On relève sur la documentation technique la valeur de V in min et V in max V in Vs t V in I in C D Ib C = I in Ib Vs D V out Vs t C = Condensateur de découplage, nécessaire si le régulateur est éloigné de plus de 0 cm du condensateur de filtrage. Pour sa valeur se référer aux doc. Constructeur. Condensateur céramique, plastique ou encore au tantale. 0, µf C 0, µf C = Condensateur servant a enlever les ondulations résiduelles ( très faibles en sortie du régulateur) et sert aussi de réservoir d énergie. Condensateur au Tantale de préférence. Valeur précisée dans les doc. Techniques. µf. C 0 µf D = Protège contre les courants négatifs, par exemple court-circuit en entrée du régulateur. D = Protège contre les tensions inverses. ( cas d une alimentation double ). 4

5 Un régulateur a une protection interne en température : Tj = 0 série Régulateur positif Régulateur négatif LM 37 Régulateur variable On considérera par la suite que le courant de polarisation Ib ( ma ) est négligeable devant le courant de sortie 4.. Le condensateur de filtrage : Rappel : Un condensateur se choisi en fonction de :- Sa capacité - La tension maximum a ses bornes - Le courant efficace le «traversant» Le condensateur de filtrage est généralement électrolytique et de forte valeur. La valeur d une capacité électrolytique a une tolérance de -0% ; 80 % 4... Calcul de l ondulation ( méthode approchée) : Hypothèses simplificatrices : Régulateur parfait (Ib = 0 ) Décharge linéaire sur une période Charge instantanée Courant dans la charge constant i c V = Tension secondaire du transformateur. V F = Tension de seuil des diodes. k = nombre de diodes conduisant ensemble. F = Fréquence, généralement 00 Hz. I = Courant de décharge supposé égal à T U V max = V. - k. V F < V in max ( régulateur ) V min > V in min ( régulateur ) i c = C dvc dt C = I. T = U I c = C. U T I U. F t 4... Calcul du courant dans le condensateur (approximation) : V F On réduit nos hypothèses : - Diode parfaite - Courant constant - Condensateur parfait v C i d i c Réflexion d Hubert Rébasc : Quand la mer est d huile, c est l heure des pécheurs de sardines 5

6 Entre θ et θ : = V..sin θ avec i c = C d /dt = C.ω. dvc d θ i c = C.ω.V.. cos θ θ = ωt dθ = ωdt ω =.. f f = 50Hz θ θ θ θ Calcul de l instant θ ou le courant s annule dans le redresseur : i d = i c = C. ω.v..cosθ 0 = C.ω.V..cosθ θ = arccos( C. ω. V. ) () Entre θ et θ, le redresseur est bloqué. C est le condensateur qui restitue l'énergie électrique accumulée a la charge de l alimentation. Décharge à = Cte ( approximation ) i c i c = C. d /dt = - = - d C.ω θ =. Cte C. ω θ avec Cte = condition initiale =V c (θ ) =V..sin θ Recherche de θ : - θ θ I c = 0 θ (θ ) = V..sinθ (θ ) = ( ( θ ) θ ) V..sinθ Décalage de l origine à θ θ θ θ C.ω V..sinθ = ( ) C.ω θ θ V.. sinθ sinθ - sinθ ( θ θ) =0 () Résolution numérique pour déterminer θ. C. ω. V. Généralement on choisi (θ ) = V in min 0 % car le réseau EDF a des fluctuations de ± 0 % Méthode de calcul du condensateur : On choisi l ondulation U = V. - 0, 6 -, V in min diodes conduisent pour une alimentation simple Chute de tension aux bornes d une diode Après avoir déterminé l ondulation, on calcul θ par la relation : U = V..( sin θ) On en déduit la valeur de C et θ ; On peut aussi calculer i c max et Ic efficace 6

7 4.3. Détermination du courant secondaire I (approximation ) : id Dans le cas d une alimentation simple i = id id 3 id = i c Rappel : La valeur moyenne du courant dans un transformateur monophasé est nulle. i θ θ Détermination de la valeur efficace du courant secondaire du transformateur avec les hypothèses : Diode parfaite Courant = Cte θ I ² = (....cos ) C ω V θ d θ θ θ θ θ θ ( ) ( ) C. ω. V..cos θ =.. C. ω. V..cos θ C. ω. V. cos θ C. ω. V θ I ( C V C V ( ) =... ω...cos θ. ω.. cos θ C. ω. V ). dθ θ θ θ I = C V C V C V {.( θ θ )... ω. ( ) ( ).. sinθ sin θ. ω.. sin sin. ω.. θ θ } Le courant dans le transformateur dépend de la capacité C : C I Les deux composants qui «font» le prix de alimentation sont le transformateur et le condensateur de filtrage. Il faut trouver un compromis économique entre la valeur de la capacité et la puissance du transformateur. il est délicat de déterminer le couple transformateur/condensateur parfait Puissance apparente du transformateur minimale pour C. ω. V. = Choix du transformateur : Critère de choix :- Tension efficace primaire - Tension efficace secondaire - Puissance apparente S = V I -- --Courant de court-circuit (pour les fortes puissances) La puissance apparente détermine le prix du transformateur, il faut donc la choisir aussi faible que possible. En réalité cela revient a déterminer la tension secondaire V. C est cette valeur de tension qui déterminera la valeur de la capacité de filtrage indirectement par l ondulation en tension et aussi par conséquence le courant I et donc la puissance apparente S.( courbe en annexe ) Généralement on choisi V,Vs ce qui nous donne une ondulation V U 5 V 7

8 4.5. Choix des diodes : Critère de choix : - Courant direct moyen ( I F(AV) ) - Courant direct de pointe répétitive (I FRM ) - Courant direct de pointe non répétitive ( I FM ) - Tension inverse répétitive ( V RRM ) [ ] θ Id = ( C. ω. V. cos ). d.. θ θ Id ( ) C V ( ) θ =. θ θ. ω... sin θ sin θ. I F(AV) > Id Id = < Id > I FRM > I c (θ ) maximum à l instant θ > C.ω. V..cosθ I FM > C.d /dt >C. ω. V..cosθ à la mise sous tension le cas le plus défavorable est θ = 0 I FM > C.ω. V. V RRM > V. 4 diodes ou pont de diodes, that is the question? Quel que soit votre choix, il faut le justifier par des critères économiques, d encombrement et de temps de réalisation ( trous a percer, pattes a souder ) 4.6. Le dissipateur thermique : Le régulateur a souvent besoin d un dissipateur thermique : dissipateur thermique sans radiateur infini Puissance régulateur,5 W 5W Déterminons la puissance dissipée dans le régulateur avec les hypothèses faites lors du calcul de l ondulation et en négligeant la chute de tension dans les diodes si V >0.V F : Pd = Vr. vr = vc Vs U Vr = V. - k.v F Vs V. - k.v F -Vs v r 0 ms 0 ms t Réflexion d Hubert Rébasc : Parfois l heure est grave, alors pourquoi n est elle jamais aiguë? 8

9 Rappel : Rth Tj Ta Rth Pd Rth avec Tj = Température de la jonction ( doc. Const.) Ta = Température de l air ambiant ( utilisateur) Rth r-a = Résistance thermique radiateur-air Rth j-c = Résistance thermique jonction - boîtier en C/W ( doc. Const. ) Rth c-r = Résistance thermique boîtier - radiateur ( fabrication ou cahier des charges ) r a j c c r On choisi de préférence un radiateur qui n a pas besoin d être retaillé et adapté au boîtier du régulateur 5. Conclusion : Le plus délicat est le choix du couple transformateur condensateur de filtrage. Les calculs exacts sont compliqués car il faut tenir compte des imperfections des composants : résistance interne des diodes, décharge non linéaire, empiétement, etc... Les industriels utilisent des abaques et des logiciels de simulation pour obtenir le meilleur couple transformateur condensateur Ne pas oublier d ajouter un fusible ( retardé ) au primaire du transformateur pour protéger l alimentation en cas de défaut interne. Méthode rapide et très approximative pour dimensionner les alimentations de ± 5 V a ± 5 V : V,.Vs I. Id / 6. Exemple : Alimentation ± V, A : Schéma : 78 EDF C C C - - Vs 30 V C C C Vs Choix des régulateurs : Régulateur positif : 78 V in min = 4.5 V V out = V TO-0 Régulateur négatif : 79 V in max = 30 V I out = A Rth j-c = 3 C/W Condensateurs préconisés par le constructeur : C = 330 nf C = 00 nf Diodes de protection rapide : N448 ( 50 V, 00 ma ) 9

10 Choix des tensions secondaire du transformateur : Transformateur a double secondaires : 5 V V max =5. =, V Une seule diode conduit a la fois :chute de tension estimé a V V F V ( se reporter au doc. Const.) Calcul de l ondulation théorique en tenant compte des fluctuations du réseau de 0 % U = V. VF,. Vin min =,-- 5,9 = 4,3 V U = 4,3 V Choix du condensateur de filtrage C : Détermination de θ : sin θ = U θ = 5,8 = 0,93 radian V. Par une résolution numérique de l équation ( ) associé à l équation ( ) du chapitre 4.. ; On détermine C = 8 µf C = 00µF On en déduit les nouvelles valeurs de θ et θ θ = 90, =,57 radian ce qui correspond a une ondulation théorique de U = 3,7 V θ = 55,7 =0,97 radian Choix du transformateur : Calcul du courant dans un enroulement secondaire : θ θ I = C V C V C V I =,5 A {.( θ θ )... ω. ( ) ( ).. sinθ sin θ. ω.. sin sin. ω.. θ θ } d ou la puissance apparente du transformateur : S = 5. 5= 75,4 V.A S = 00 VA Transformateur 5 V 00 VA Choix des diodes : V RRM >.V. V RRM > 4,4 V ( La diode bloquée «voie» les enroulements secondaires série ) I FM > C. ω. V. I FM > 4,6 A I F(AV) > [. ( θ θ) C. ω. V... ( sin θ sin θ ) ] I F(AV) > 0,5 A I FRM > C.ω. V..cosθ I FRM > 8,6 A en 4 diodes N400 ( 50 V ; A ) Dissipateur thermique des régulateurs : U Puissance dissipé : Pr = ( V. VF Vs ) = 6,35 W Pr = 6,35 W Réflexion d Hubert Rébasc : Un bruit qui court arrive avant celui qui marche 0

11 Résistance thermique du dissipateur : Tj Ta Rth r a Rth j c Rth c r Pd Tj = 50 C Ta = 5 C Rth r-a 5,7 C/W Rth j-c = 3 C/W Rth c-r = C/W Dissipateur MOD ML 6 TO0 Rth = 5 C/W Nomenclature : Composant Référence Quantité Régulateur Positif 78 Régulateur négatif 79 Dissipateur thermique MOD ML 6 TO0 diode de protection N448 4 Diodes de redressement N400 4 Condensateur céramique 330 nf 0.33 µf 400 V plastique Condensateur céramique 00 nf 0. µf 400 V plastique Condensateur Electrolytique 00µF 40V,4 A Transformateur 00 VA AVEL G Fusible retardé FST 50 V 4 A Support fusible 5 0 SCHUTER On peut ajouter un dispositif de présence tension en sortie des régulateurs réalisé par exemple avec des diodes électroluminescentes 7. Bibliographie : Alimentation stabilisée (polycopier de J.Candau) Application des régulateurs (électronique pratique n 07 ) Data book de SGS THOMSON ; TEXAS INSTRUMENT ; FAIRCHILD Alimentation pour laboratoire de ±5 V, O-30 V réglable, 50 ma ( dossier de O.Dehaupas) Memotech Electronique et Electrotechnique Catalogue constructeur Coutant et Lambda et tous les livres de physique et d électrotechnique du lycée 8. Annexes : Forme des courants et tensions en tenant compte des résistances internes des diodes, du condensateur et d un courant de charge non constant ( c est à dire sans aucune hypothèse simplificatrice ) En annexe il y a des graphiques permettant de déterminer les angles θ et θ, ainsi que le courant dans le transformateur en fonction de A : A = C. ω. V.

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