Alimentation électrique

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1 Chapitre 5 Alimentation électrique L objectif de ce chapitre est d apprendre à convertir une tension CA à une tension CC. Il y a deux types d alimentation : Non-régulée : le niveau CC diminue si on augmente le courant à la charge, Régulée : La tension CC est stable, sans ondulations. On verra aussi quelques circuits intégrés régulateurs. 5.1 Introduction aux alimentations non-régulées Un transformateur est nécessaire pour réduire la tension nominale de 10V du réseau à la tension voulue du circuit. C est la première composante de l alimentation. La figure 5.1 montre la conversion du niveau de tension à l aide du transformateur. 10/4 10V rms 1V rms 4V rms CT Figure 5.1 Effet du transformateur La tension crête-à-crête à la sortie est 4 = 34V. La prochaine étape est de convertir la tension CA à une tension CC pulsée. On utilise 1

2 un pont de diodes, comme à la figure /4 1 34V 34V Figure 5. Effet du pont de diodes Remarque : L alimentation est flottante. Il n y a pas de ou de spécifiques. Si on veut une alimentation positive, il faut placer la borne à la terre, ce qui devient la borne. De même, pour une alimentation négative, il faut placer la borne 1 à la terre. Évidemment, la tension entre les bornes 1 et n est pas une tension CC pure. On utilise un condensateur pour filtrer les composantes CA et ainsi obtenir une tension fixe. On utilise habituellement un condensateur assez élevé, 500µF ou plus. Le condensateur est placé après le pont de diodes, comme à la figure 5.3. C V L V cc 34V Figure 5.3 Effet du condensateur sur l alimentation Il n y a pas de charge branchée à la sortie du circuit de la figure 5.3. La tension de sortie diminuera si on ajoute une charge, comme celle de la figure 5.4. i L = 1A 1000µF R L Pleine charge Figure 5.4 Charge ajoutée à une alimentation non régulée Gabriel Cormier GELE4011

3 La tension à la sortie est donnée à la figure V L v o = 5V 10 V cc = 4V 0 t Figure 5.5 Tension à la sortie de l alimentation non régulée, avec charge La tension à la charge a un niveau CC plus faible, 4V dans la figure 5.5. De plus, il y a une composante CA, v o, superposée à la valeur CC ( v o = 5V dans l exemple précédent). On conclut : 1. La tension CC diminue lorsque le courant augmente,. Les ondulations CA augmentent de 0V à une large valeur en pleine charge. Les ondulations CA de l alimentation peuvent être estimées en fonction du condensateur de lissage et du courant de la charge, par l équation suivante : v o I L 00C (5.1) Si l ondulation est mesurée avec un voltmètre CA, la valeur rms des ondulations sera affichée. La tension rms est reliée à v o par la relation suivante : où V rms est l indication du voltmètre CA. v o 3.5V rms (5.) Un dernier paramètre est nécessaire pour le design d une alimentation non-régulée : c est la tension minimale instantanée nécessaire en pleine charge. V Lmin = V ccpc v o (5.3) Gabriel Cormier 3 GELE4011

4 5. Courbe de régulation CC On peur mesurer la variation de la tension CC en fonction de la charge pour une alimentation non régulée, comme à la figure 5.6. A 1000µF R L V Figure 5.6 Circuit de mesure de la variation CC La tension mesurée en fonction du courant mesuré donne la courbe de la figure O 4 A V cc 0 1 Figure 5.7 Courbe de régulation : tension en fonction du courant d une alimentation non régulée Le point O représente la tension V cc = E m et I cc = 0, la tension sans charge, et le point A représente la tension à pleine charge, V ccpc = 4V et I L = 1A. On modélise le comportement de l alimentation non-régulée par une résistance de sortie R o : R V ccpc = L V R L R ccsc o (5.4) ou, V ccsc = V ccpc I pc R o (5.5) où I pc est le courant à pleine charge. On utilise la courbe de régulation pour calculer la résistance R o. Gabriel Cormier 4 GELE4011 I cc

5 Exemple 1 Pour une alimentation électrique ayant E m = 34V, V ccpc = 4V, et I pc = 1A, 1. Calculer la résistance interne R o,. Donner la tension CC à mi-charge (I L = 0.5A) a) Selon les équations précédentes, R o = V cc sc V ccpc 34 4 = = 10Ω I pc 1 b) La tension à mi-charge est : V cc = V ccsc R o I L = 34 (0.5)(10) = 9 V Note : la tension de 5V qui est perdue (par rapport à la tension sans charge) est interne à l alimentation et cause une dissipation de (5)(0.5) =.5W en chaleur. La résistance R o modélise les pertes internes du transformateur, des diodes, des condensateurs et même du câblage. Il n est pas nécessaire de connaître la contribution de chaque élément ; seul l effet total est important. Exemple Faire la conception d une alimentation CC non-régulée pour obtenir 1V à 1A avec moins de 10% d ondulations. et On sépare le design en deux parties : 1. La partie CC donne la taille du transformateur et des diodes,. La partie CA donne la taille du condensateur. 1) Partie CC : On a deux équations de design : V ccsc = V ccpc I pc R o V ccsc = E m Or, on ne connaît pas R o. Puisqu on ne sait pas quel transformateur utiliser, on ne peut pas mesurer R o. Il faut estimer, faire les calculs appropriés, puis réviser si nécessaire. Gabriel Cormier 5 GELE4011

6 Dans ce cas-ci, on commence en supposant R o = 10Ω. Alors, V ccsc = 1 (1)(10) = V = E m et E rms = E m = 15.6 V Ceci veut dire qu il faut acheter un transformateur 10V/15.6V, ce qui n est pas possible. Il faut aussi vérifier la puissance maximale dissipée, et puisqu on utilise un pont de diodes, on doit choisir un transformateur ayant I sec = 1.8I pc, ce qui donne I sec = 1.8A ou plus. On peut trouver un transformateur de 16V, à.a, soit le modèle 166L16 de Hammond Manufacturing. Il faut choisir les diodes selon le courant moyen et la tension crête maximale (PIV). On choisit une diode ayant I moy > I pc, et ayant PIV = V ccsc 0%. Un exemple de pont de diodes est le DF005-G de Comchip Technologies. ) Partie CA On calcule en premier les ondulations du circuit : et l ondulation : V rms = (%ond)(v ccpc ) = (0.1)(1) = 1. V v o = 3.5(1.) = 4. V On peut maintenant calculer la valeur du condensateur : C = I L 00 v o = 1190µF On va choisir un condensateur plus grand que la valeur calculée, comme C = 1500µF. Note : Les condensateurs ont eux aussi une tension crête maximale (WVDC). On doit choisir des condensateurs ayant WVDC = V ccsc 0%. Le design total donne le circuit suivant : Transformateur : 10/16V à.a Pont de diodes : 50V à 1A Condensateur : 1500µF, WVDC = 5V ou plus 5.3 Alimentation bipolaire non-régulée Plusieurs dispositifs électroniques nécessitent une alimentation positive et négative. Ces tensions sont mesurées par rapport à une troisième borne commune, la masse (GND). Gabriel Cormier 6 GELE4011

7 Pour obtenir une tension positive et négative, il faut soit deux secondaires ou un transformateur avec accès central au secondaire (centre tap). La figure montre un exemple d alimentation 10/4V bipolaire. 10/4 1 C V L = 1 = 17V C CT V L = 1 = 17V Figure 5.8 Alimentation bipolaire 10/4V On peut réaliser trois configurations avec le circuit de la figure 5.8, comme montré à la figure 5.9. On peut réaliser une alimentation bipolaire, ou des alimentations doubles (positive ou négative). 1 17V 1 34V Alimentation CT Alimentation CT 17V a) Alimentation bipolaire 17V b) Alimentation positive double 1 Alimentation CT 17V 34V c) Alimentation négative double Figure 5.9 Configurations possibles d une alimentation bipolaire Comme mentionné auparavant, il y a deux désavantages principaux aux alimentations non-régulées : 1. La tension CC diminue si le courant à la charge augmente,. Les ondulations CA augmentent si le courant à la charge augmente. On peut minimiser ces désavantages en utilisant une alimentation régulée. Gabriel Cormier 7 GELE4011

8 5.4 Régulateur de tension Le régulateur de tension permet d obtenir un niveau CC stable, peu importe les ondulations à l entrée. 10V Alimentation non-régulée V L Régulateur de tension V L 60Hz Figure 5.10 Alimentation régulée Les régulateurs de tension peuvent être classifiés selon plusieurs paramètres : 1. Polarité : positif ou négatif, ou double. Bornes : 3 bornes ou plus 3. Fixe ou variable : certaines valeurs fixes sont ±5V, ±1V, ±15V et variable de 1.V à 37V ou 1.V à 37V. 4. Courant de sortie : 0.1A, 0.5A, 0.5A, 1.5A, 5A, 10A. Un exemple est le LM7818CT, de Fairchild Semiconductor, qui fournit 1A à la sortie, de 18V. La tension instantanée à l entrée du régulateur doit toujours être plus élevée que la sortie CC de 0.5V à 3V (typiquement). Ex : le LM340K-15 nécessite 3V de marge de manoeuvre (head room). Le circuit typique d un régulateur de tension est montré à la figure IN 3V minimum LM340K-15 OUT 0.µF GND 1µF 15V R L Figure 5.11 Régulateur de tension La tension minimum nécessaire à l entrée du régulateur dépend des ondulations CA de l alimentation non-régulée. La tension minimale est : V Lmin = V ccpc v o (5.6) Gabriel Cormier 8 GELE4011

9 Exemple : pour le LM340K-15, il faut 18V à l entrée du régulateur (marge de 3V, et sortie de 15V). Si les ondulations ont une amplitude de 5V à pleine charge, la tension CC à pleine charge est donc : V ccpc = V Lmin v o = 18 5 = 0.5 V Les régulateurs de tension ont typiquement un circuit interne de protection contre un courant trop élevé ou une température trop élevée. Il faut utiliser un dissipateur thermique pour une opération normale. On spécifie aussi le taux de rejet des ondulations. Une valeur typique est 60dB, ce qui représente une atténuation des ondulations d un facteur Ex : si v o = 5V, les ondulations seront de 5mV à la sortie. 5.5 Régulateurs variables Les régulateurs variables permettent d obtenir une tension CC variable. Le LM317 est une exemple ; son circuit est montré à la figure 5.1. IN OUT LM V R 1 C 1 ADJ C v o R L R Figure 5.1 Régulateur de tension variable LM317 Le LM317 génère 1.5V entre ses sorties OUT et ADJ. La résistance R 1 suggérée par le manufacturier est typiquement 40Ω, ce qui donne un courant de 5mA dans R 1 et R (le courant qui sort de ADJ est négligeable). La tension totale de sortie est la somme des tensions dans R 1 et R : ( v o = 1.5 5R = R ) (5.7) 40 Comme exemple, pour alimenter un circuit TTL (5V), il faut utiliser R = 760Ω. L avantage d une tension variable est contrebalancée par une consommation de puissance supérieure. Les résistances R 1 et R consomment de l énergie : dans le cas du TTL, les résistances consomment environ 5mW. Gabriel Cormier 9 GELE4011

10 Le condensateur C 1 est nécessaire pour minimiser les effets des longs fils entre le filtre du pont de diodes et le régulateur. Pour des distance plus petites que 15cm environ, ce condensateur n est pas nécessaire. Le condensateur C améliore la réponse transitoire du circuit. 5.6 Circuit de protection externe On utilise deux diodes pour protéger le circuit du LM317, comme à la figure D 1 IN LM317 D OUT R 1 C 1 ADJ C R L v o R C 3 Figure 5.13 Régulateur de tension variable LM317 avec circuit de protection Le condensateur C a une valeur typique de 1µF, et le condensateur C 3 a une valeur typique de 10µF. La diode D 1 protège contre les court-circuits à l entrée. Le condensateur C 3 est ajouté pour améliorer les ondulations CA. Par contre, s il y a court-circuit à la sortie, le condensateur C 3 essayera de pousser du courant dans la borne ADJ du LM317. La diode D protège le régulateur dans ce cas. Gabriel Cormier 10 GELE4011