Alimentation linéaire vs Alimentation à découpage

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1 Alimentation linéaire vs Alimentation à découpage Objectifs du TP Etude d un redressement double alternance avec filtrage capacitif Etude d un régulateur linéaire Etude succincte d un régulateur à découpage Comparaison des caractéristiques et performances des régulateurs I REDRESSEMENT ET FITRAGE I. Redresseur double alternance e redresseur double alternance à 4 diodes (pont de Graëtz voir figure ) a été étudié en cours. Se reporter à celui-ci pour des explications détaillées sur son fonctionnement. allure de la tension de sortie V du redresseur sans filtrage (i.e. lorsque la capacité de filtrage Calim est nulle) est donnée figure, courbe en pointillés. Si tous les éléments constitutifs sont supposés parfaits, la valeur moyenne de cette tension s exprime de la façon suivante : Vˆ V V eff = = où Vˆ et V eff sont respectivement les valeurs crête et efficace de V. On π π pourra tenir compte de la chute de tension aux bornes des diodes lorsque celles-ci conduisent en remplaçant V ˆ par Vˆ VD où V D est la tension seuil des diodes. I Calim V Charge variable 0V 50Hz V 0V/9V Figure I. Filtrage de la tension de sortie a capacité Calim permet de filtrer la tension de sortie V. orsque l ensemble débite dans une charge un courant I, la tension de sortie ondule et peut être décomposée en une composante continue <V > et une composante variable (ondulation ou «ripple» en anglais) : Page

2 V =<V >+ΔV (voir figure ). Cette ondulation sera d autant plus faible que la capacité de filtrage sera grande et le courant de charge faible. V V ˆ ΔV T Figure Pour calculer l ondulation de tension en fonction de la valeur de la capacité de filtrage (et ainsi dimensionner la capacité nécessaire) deux méthodes sont possibles. e calcul approché orsque l ondulation de tension est faible (ce qui est généralement le cas), les instants t 0 et t sont très proches de l origine (voir figure ) alors que l instant t est proche de la demie période T/. Si de plus le courant de charge est à peu près constant, on peut faire l hypothèse d une décharge à courant constant I CH de la capacité de filtrage sur une demie période, soit : V I V V I Ca lim d où V = = puisque I = T / f Ca lim RCH f Ca lim R CH De plus : ˆ V V 4 RCH f Ca lim < V > V VD d' où = Vˆ 4 R f Ca lim V + D CH où V D est la tension de seuil d une diode et f la fréquence du signal d entrée ( f = ω = =50Hz) π T On peut définir le taux d ondulation : Veff V β = = < V > 3 < V > 4 3 RCH Ca lim f Attention : l ondulation relative ΔV = V max V min est différente de la valeur efficace de cette ondulation qui sert à définir le taux d ondulation, ici on fait l hypothèse d une ondulation de courant quasi triangulaire ce qui conduit à écrire que V eff 3. V utilisation des abaques Il est plus rapide et plus précis d utiliser des abaques qui ont été tracées sans approximations (ou d utiliser un simulateur électrique qui donnerait les mêmes résultats). De tels abaques sont donnés en annexe. Page

3 a première (figure 0) permet de déterminer la valeur de <V > en fonction de Calim à V et R CH donnés. a seconde courbe (figure ) précise le taux d ondulation toujours en fonction de Calim. A noter que dans ces abaques ρ désigne la résistance série de l ensemble diodestransformateur (on ajoute parfois volontairement une résistance de faible valeur supplémentaire en série afin de limiter le courant crête circulant dans les diodes). es deux abaques qui suivent (figures et 3) servent à estimer rapidement les courants crêtes et efficaces circulant dans les diodes (et permettent un choix rapide des diodes). ˆ I.3 Préparation I.3.a : Cas d une simple charge résistive (figure 5) Tracer sur l abaque de la figure 0 bis du document réponse donnée en fin de texte la courbe correspondant au calcul approché. Préciser pour quelles valeurs de (R CH Calim) le calcul approché reste valable. Tracer sur la figure le taux d ondulation correspondant au calcul approché. Conclure à nouveau sur la validité de ce calcul approché. I.4 Mesures On utilisera pour cette partie la maquette principale «Alimentations» nue. Alimenter la carte à l aide du bloc transformateur. I.4.a : Sans capacité de filtrage (Calim=0) Sans charge (RCH= ), visualiser à l oscilloscope v (t) et v (t). En déduire les valeurs de V ˆ et de V D (tension de seuil d une diode). Pour R CH = puis pour R CH =50 Ω, visualiser v (t) à l oscilloscope. En déduire la valeur de la résistance série ρ de l ensemble (transfo+diode+ralim). I.4.b : Avec Calim On placera sur la maquette successivement les 3 cavaliers équipés des 3 valeurs de Calim Relever <V > et l ondulation de ΔV eff lorsque R CH =00 Ω pour les 3 valeurs de Calim disponibles (préciser l appareil utilisé - multimètre ou l oscilloscope - et les réglages effectués). Comparer aux valeurs théoriques données par les abaques. Page 3

4 II REGUATEUR INEAIRE II. Rappels sur la diode zener comme référence de tension I D I D R Z = ΔV/ ΔI V D V D ΔV ΔI R Z V Z Modèle équivalent lors d un courant inverse V 0 I Z V Z Convention de signe habituellement choisie en fonctionnement «zener» Figure 3 a diode zener est une diode dont on utilise la caractéristique inverse. a tension zener V Z est la tension inverse pour laquelle le courant inverse croît rapidement (figure 3). a pente étant raide en polarisation inverse, on néglige souvent Rz. a diode zener est alors modélisée en inverse par une source de tension parfaite Vz. e montage le plus simple pour fabriquer une référence de tension est donné figure 4. Il faut pour que la tension Vz soit stable que le courant dans la diode zener ne s annule pas quelque soit I S. Vin R Vz Is charge Vs Figure 4 II. Régulateur élémentaire avec transistor ballast Pour augmenter les performances en courant tout en améliorant le rendement du système lorsque le courant de sortie n est pas maximum, on ajoute un transistor «ballast» au montage précédent (voir figure 5). Vin R Vz Is charge Vs Figure 5 Page 4

5 II.3 Régulateur linéaire intégré Dans le régulateur linéaire, la sortie est stabilisée par un asservissement (mesure de la tension de sortie Vs par le pont diviseur R-R, comparaison à Vz et amplification de la différence par l amplificateur opérationnel (voir figure 6). a tension de sortie est ajustable à l aide de R et R mais est nécessairement plus élevée que Vz. II.4 Travail de préparation II.4.a : Régulateur élémentaire (figure 5) On donne pour le transistor β=00 et V BE =0,6V et pour la diode zener V Z =5,6V. De plus on suppose que I SMax =0,5A et V E =5V. Calculer la valeur de R maximum nécessaire (on prendra une valeur moitié pour la suite). calculer le rendement global en pleine charge (i.e. pour I S =I SMax ). Quelle serait la valeur minimum de V E permettant de garantir une tension stable en sortie pour I S = I SMax. II.4.b : Régulateur intégré (figure 6) Exprimer V S en fonction de V Z, R et R si l AOP est idéal. Vin R Vz R + - Figure 6 R charge Vs II.5 Mesures II.5.a : Régulateur élémentaire Connecter le module contenant les alimentations linéaires à la carte mère précédente et placer le commutateur sur la position «ballast». Dans cette configuration, seule la partie haute du module (correspondant au schéma de la figure 5) est alimentée. es plots «SHUNT» permettent de connecter un ampèremètre extérieur en série sur l entrée. es plots Vs et GND permettent de connecter une charge en sortie (boîtes AOIP). On câblera en sortie deux boites AOIP en parallèle ; l une de x0ω et l autre de x00 Ω. On placera Calim=0μF dans un premier temps. Attention à ne pas commuter les boîtes AOIP sur la position «0» au risque de provoquer un court-circuit en sortie!! Faire le câblage complet du montage en prévoyant la mesure des courants et des tensions moyennes en entrée et en sortie à l aide de multimètres (faire un schéma de câblage). Faire varier la charge et régler Is à approximativement 00mA. Relever les courants et tensions moyens et calculer le rendement global. Conclure. Pour Is=50mA, 00mA puis 00mA, mesurer à l oscilloscope les valeurs moyennes et les ondulations efficaces des tensions en entrée et en sortie avec l aide des fonctions «measure» de l oscilloscope (expliquer les réglages et présenter les résultats dans un tableau). Calculer les taux d ondulation en entrée et sortie (rappel β=δvseff/<vs>). Commenter. Pour Is=00mA mesurer l évolution du taux d ondulation en sortie lorsque Calim diminue (placer successivement 0μF, 00 μf et 47 μf). Pour expliquer ce qu il se passe on pourra Page 5

6 visualiser simultanément à l oscilloscope vin(t) et vs(t) ; même calibre et même position des «0». Conclure (on pourra s aider des résultats de la partie pour les explications!). II.5.b : Régulateur linéaire Placer le commutateur sur la position «Regul». Conserver le câblage pour les mesures de courants et tensions. Choisir Calim=0μF.a sortie à utiliser ici est Vs. Faire varier la charge et régler Is à approximativement 00mA. Relever les courants et tensions moyens et calculer le rendement global. Comparer au montage précédent. Pour Is=50mA, 00mA puis 00mA, mesurer les taux d ondulation en sortie et comparer au montage précédent. Remarque : pour des valeurs très faibles d ondulation, lorsque le bruit devient important devant le signal il est possible d activer la fonction «moyennage» de l oscilloscope. III REGUATEUR A DECOUPAGE III. Principe Dans les alimentations à découpage on cherche à optimiser le rendement du convertisseur. Pour cela on utilise des éléments non dissipatifs : interrupteurs (ceux-ci sont en général des MOSFET et des diodes qui fonctionnent en commutation), inductances, capacités, transformateurs. Si tous ces éléments sont parfaits, le rendement théorique du convertisseur est de 00%. De nombreuse structures existent, le choix d une structure dépend des besoins (montages élévateurs ou abaisseurs de tension, montages isolés ou non ). es principales structures rencontrées dans les alimentations pour l électronique sont les structures BUCK, BOOST, BUCK-BOOST, CUK, CETIP, FORWARD, FYBACK. Nous analyserons ici seulement la structure la plus simple (BUCK) qui est un convertisseur abaisseur de tension non isolé. III. Rappel sur le fonctionnement du hacheur abaisseur («BUCK») ou v T V i T i I S T P i D i C V E V cde D v D C R V S V cde 0 αt T t Figure 7 hacheur série On se reportera à l annexe pour les détails du fonctionnement dans chacune des deux phases (interrupteur Tp ouvert ou fermé). Il est important de bien comprendre les hypothèses retenues ; celles-ci peuvent toujours être prises en compte et permettent à chaque fois de Page 6

7 simplifier beaucoup l étude en rendant les équations de fonctionnement dans chaque phase très simples. Hypothèses : Tous les éléments sont parfaits, le régime est établi (i.e. toutes les grandeurs électrique sont sinusoïdales), la tension de sortie est parfaitement filtrée (V S supposée constante car C très grande) et la conduction est continue (le courant dans l inductance ne s annule jamais). es chronogrammes théoriques sont donnés figure 8. v T V E 0 0 αt T t v D 0 t -V E i I M Remarque sur le courant i C (t) : e courant circulant dans la capacité de filtrage correspond à la composante variable de i car C est supposée assez grande pour que V S soit supposée constante ( v~ << V ). S S I m 0 i C ΔI / 0 -ΔI / Figure 8 t t VE Bilan : V S /V E = α, i = α ( α)t et V Tmax =V E. imite de conduction continue : i hypothèse de conduction continue est vérifiée si I m >0 ou encore si I S >. En I M + I m effet, I S =< i >= puisque <i C >=0. Donc la limite de conduction continue I M i correspondant à I m =0 s exprime par IS = =. Page 7

8 III.3 Travail de préparation Nous avons vu que le courant circulant dans le condensateur de filtrage est nul. Démontrer qu en régime périodique le courant moyen circulant dans un condensateur est toujours nul. Qu en est-il pour une inductance? Tracer l allure de i en fonction de α et éciser pr la valeur de α l ondulation maximale. correspondant à III.4 Mesures Connecter le module alimentation à découpage (le schéma de ce module est donné figure 9) et conserver le même câblage externe pour ce qui concerne les mesures des courants et tensions moyens et la charge (mêmes boîtes AOIP). Il sera possible sur cette carte de visualiser un certain nombre de grandeurs à l oscilloscope et en particulier de visualiser les courants i D et i C en mesurant la tension aux bornes de résistances de faibles valeurs ( Ω) placées respectivement en série avec la diode et le condensateur de sortie. Figure 9 : Schéma du montage étudié, tiré de la notice constructeur du circuit M575. Des résistances de Ω ont été placées en série avec la diode D (D sur la figure 7) et la capacité COUT (C sur la figure 7) Régler la charge de façon à obtenir un courant Is proche de 00mA (on conservera Calim=0μF). Mesurer les tensions et courants moyens en entrée et sortie et en déduire le rendement de l alimentation pour ce point de fonctionnement. Comparer aux résultats de l alimentation linéaire et conclure. Visualiser à l oscilloscope et tracer les chronogrammes de i D (t), i C (t) et v D (t). Expliquer succinctement les différentes phases observées et déduire des pentes des courants la valeur de l inductance du montage. Préciser la valeur de α. Vérifier la relation de i pour ce point de fonctionnement. Mesurer l ondulation résiduelle de sortie et estimer le taux d ondulation du montage pour ce réglage (I S =00mA). Comparer aux taux d ondulation mesurés dans les montages précédents. Page 8

9 V ˆ V V D Annexes ρ R CH (%) R CH Ca lim ω Figure 0 : Rapport tension moyenne de sortie sur amplitude d entrée diminuée des tensions de seuil des diodes (cas du pont simple ou du pont double) en fonction de R CH Calim ω paramétré en ρ/r CH R CH Ca lim ω Figure : Taux d ondulation en fonction de en fonction de R CH Calim ω paramétré en ρ/r CH Page 9

10 Figure : Rapport de l intensité efficace à l intensité moyenne dans une diode en fonction de RCω paramétré en ρ/r [extrait de «es alimentations électroniques» de Pierre Mayé - DONOD] Figure 3 : Rapport du courant crête répétitif à l intensité moyenne dans une diode en fonction de RCω paramétré en ρ/r [extrait de «es alimentations électroniques» de Pierre Mayé - DONOD] Page 0

11 Annexes V E V E Détails des deux phases en conduction continue Hypothèses : tous les sont éléments parfaits, le régime établi (i.e. toutes les grandeurs électrique sont sinusoïdales), la tension de sortie parfaitement filtrée (V S =constante) et la conduction continue (le courant dans l inductance ne s annule jamais). Deux phases : entre [0, αt] : T P fermé donc D bloquée (car v D =-V E < 0) d où V T =0 et i D =0 V VE VS i T =i I S i = t + I m v D C Figure 4 i C R V S E S A t = αt, i ( α T) = I M = αt + I m D où i = I M I m V V VE VS = αt entre [αt, T] : T P ouvert donc D passante (car I M positive et la diode D de roue libre assure la continuité du courant dans l inductance) d où i T =0 et v D =0 V VS V T =V E +V S I S i = ( t αt) + I M i D =i Figure 5 C i C R V S V VS D où i = I M I m = ( α)t S A t = T, i ( T) = I m = ( α) T + I M Page

12 Annexes 3 Maquette de la partie I : Carte mère (étude du redresseur + filtrage) Maquette des parties II et III : Régulateurs de tension Module «Alimentations linéaire» (Partie II) Module «Alimentations à découpage» (Partie III) Page

13 Document réponse Figure 0bis : Rapport tension moyenne de sortie sur amplitude d entrée diminuée des tensions de seuil des diodes (cas du pont simple ou du pont double) en fonction de R CH Calim ω paramétré en ρ/r CH Page 3

14 Document réponse R CH Ca lim ω Figure bis : Taux d ondulation en fonction de en fonction de R CH Calim ω paramétré en ρ/r CH Page 4