ALIMENTATIONS A DECOUPAGE

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1 Polytech'Nice 4 ème Année T.P. d'electronique TP N 6 AIMENTATIONS A DECOUPAGE I. e mécanisme de régulation à découpage e but de cette manipulation est la compréhension du mécanisme de régulation par découpage. es 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 chercher 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, asservi en tension. a puissance dissipée par le régulateur est due au caractère linéaire du fonctionnement du composant, a 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). 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 de Boucherot : V eff 4,44. B. S. f. N avec V: valeur efficace de la tension aux bornes d un enroulement, f: fréquence, S : surface du circuit magnétique, B : induction crête en régime sinusoïdal, N : Nombre d'enroulement. 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 le hacheur et le filtre. De cette façon, il est alimenté par une source de tension alternative (la tension de sortie du hacheur), mais fonctionne à la fréquence du hacheur, généralement de l ordre de quelques dizaines à quelques centaines de kilo-hertz. II. Etude théorique A. Inductance Si on considère un simple circuit composé d'une batterie connectée à une inductance (Figure 1), quand la batterie est connectée à l'inductance, le courant ne change pas instantanément de zéro à sa

2 valeur maximale. es lois de l'induction électromagnétique ( loi de Faraday) s'y oppose. En réalité, comme le courant augmente avec le temps, le flux magnétique à travers la boucle augmente proportionnellement au courant. a hausse de ce flux magnétique induit une f.e.m dans le circuit qui s'oppose à l'évolution du flux magnétique. En suivant la loi de enz, le champs électrique induit dans la boucle doit s'opposer à la direction du courant. e courant dans l'inductance suit alors la loi : V i 'augmentation de courant s'arrête quand elle est limitée par la résistance série de l'inductance. A ce moment là, l'énergie stockée dans l'inductance est : E 0.5. I² t Figure 1 En d'autres termes, une inductance ne permet pas des changements abrupts de courant, quand la tension appliqué sur l'inductance change, une f.e.m est générée qui s'oppose à ce changement. Par exemple, quand le circuit est coupé, l'inductance va essayer de maintenir le flux de courant en générant une tension très importante à ses bornes. Habituellement, cela résulte en un pic de tension où l'énergie magnétique contenu dans l'inductance est relâchée. Cet effet particulier est utilisé dans les convertisseurs boost pour élever la tension à partir d'une batterie. B. Convertisseur Boost Figure 2 : Circuit convertisseur Boost e convertisseur boost est certainement le plus simple des convertisseurs switchés. Il utilise une simple inductance (sans nécessité de transformateurs). On peut expliquer simplement son fonctionnement avec le diagramme de la figure 2. e transistor est représenté par un switch idéal. e circuit alimenté par le convertisseur est modélisé ici par une simple résistance Rload. Une capacité C est utilisée pour lisser la tension de sortie. e switch sera ouvert et fermé suivant la période T. a rapport cyclique x de la tension de contrôle du switch pourra être varié donc : 0 < x <1.

3 e switch sera donc fermé pendant une durée xt. Et il sera ouvert pendant une durée (1-x)T. 1. Courant dans l'inductance avec le switch fermé Quand le switch est fermé, le circuit équivalent à la Fig. 2.A. Une source de tension est appliquée au borne de l'inductance et la hausse de courant dans l'inductance est dépendante de la tension Vs et de la valeur de l'inductance suivant l'équation différentielle : di (1) dt Si la source de tension reste constante, la hausse de courant est positive et reste fixe, tant que l'inductance n'est pas saturée. Ainsi l'équation est : t i (2) e switch reste fermé sur un intervalle xt et donc xt peut être utilisé pour Δt. 'augmentation nette de courant quand le switch est ON est obtenu de l'équation(2) et : V i bat xt 2. Courant dans l'inductance avec le switch ouvert (3) A un moment donné, le switch est ouvert par le circuit de commande (Fig. 2B). e courant à cet instant a atteint une certaine valeur pic. Nous avons vu précédemment qu'une inductance va toujours essayé de maintenir un courant à ces bornes. Comme le switch est ouvert, le seul chemin que le courant peut emprunter est de passer par la diode D puis la capacité C. a tension au borne de l'inductance est : v Vout (4) Comme la tension de sortie est supérieure à la source de tension, la tension aux bornes de l'inductance est négative et la dérivée du courant dans l'inductance donnée par l'équation (5) est négative. Si le switch est gardé ouvert pendant un temps (1-x)T, l'évolution du courant dans l'inductance est donnée par : di dt Vout Vout (5) i ( 1 x) T (6) 'évolution du courant dans l'inductance donné par (6) est négative tant que V o > V S. Si l'inductance n'a pas le temps de se décharger pendant le temps (1-x)T, on considère que l'on est en régime continu ou 2 temps. 3. Mode continu Ainsi, en régime établi, l'évolution du courant dans l'inductance sur une période est nulle, alors que i (t) est périodique, la somme de l'évolution du courant exprimé en (4) et (6) est nulle (figure 3) : Vout ( xt ) (1 x) T 0 On simplifiant l'équation (7), on a: (7) Vout (8) 1 x e rapport cyclique varie de 0 < x < 1 et on peut voir sur l'équation (8) que la tension de sortie est supérieure à la tension d'entrée.

4 Figure 4: Mode discontinu Figure 3 : Mode continu 4. Mode discontinu ou 3 temps : e système fonctionne en mode discontinu quand l'inductance a complètement le temps de se décharger et passe donc une partie de la demi-période où le switch est ouvert à ne rien faire. C'est pour cela que l'on parle aussi de régime 3 temps. En faisant le rapport entre la puissance stockée dans l'inductance et la puissance dissipée par la charge (load), il est possible de calculer la tension de sortie du convertisseur boost. Chaque seconde, la quantité d'énergie dissipée dans la charge est égale à : V R 2 out load ( J ) (9) orsque le switch se ferme, l'inductance est complètement déchargée, donc le courant maximal dans l'inductance lorsque le switch s'ouvre est alors égale à : I pic (xt ) (10) 'énergie par période délivré par l'inductance à la charge est : 0.5I pic 0.5 x² T ² (11) En une seconde, il y a f=1/t périodes, donc l'énergie délivrée à la charge en une seconde est :.5 x² T 0 (12) Donc en régime établi, l'énergie délivrée par l'inductance est égale à l'énergie consommée par la charge : [9]=[12], et on peut en déduire la tension en sortie : 2 Vout 0.5 x² T (13) R load RloadT Vout x. (14) 2 5. Régime critique Ce mode marque la frontière entre les régimes discontinus et continu (figure 5).

5 Figure 5 : Régime critique C. Alimentations à découpage Buck Boost Un convertisseur Buck-Boost est une alimentation à découpage qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus faible ou plus grande valeur mais de polarité inverse. Un inconvénient de ce convertisseur est que son interrupteur ne possède pas de borne reliée au zéro, compliquant ainsi sa commande. Dans les régulateurs à découpage, on s'efforce de faire travailler le transistor ballast exclusivement en régime bloqué - saturé. Ainsi, sa dissipation est minimale, puisque proportionnelle à la tension de déchet V CEsat, très inférieure à la valeur VE VS des régulateurs linéaires. Ceci posé, le problème consiste à obtenir en sortie une tension stable en agissant sur le transistor par tout ou rien. Pour ce faire, différentes solutions sont possibles. On va s'intéresser à la solution retenue par Texas Instruments pour son circuit intégré T497. On considère dans l'étude théorique le Ic cas du régulateur série abaisseur de tension + (Figure 1). M Is On introduit deux éléments nouveaux I essentiels: une inductance et une diode D. R 1 Durant la phase de saturation du transistor, l'inductance est soumise à une tension V Q + E ( VE VCEsat ) VS. Si la résistance R de la D -C V S bobine est suffisamment faible, le courant augmente linéairement jusqu'à la valeur maximum I. Pendant ce temps, l'inductance se charge en énergie magnétique. e condensateur C permet de filtrer la tension de sortie, ce qui pose peu de problèmes i - Id IC R 2 circuit de contrôle Figure 1 puisque la fréquence de découpage peut être élevée (quelques dizaines à quelques centaines de KHz). En première approximation, on peut négliger la chute de tension dans la diode (de l'ordre de la tension de seuil soit 0.6 à 0.7 Volts pour une diode au silicium).

6 On découpe la tension V E en bloquant - saturant le transistor à une fréquence fixée par le circuit de contrôle. Soit la durée de la phase de découpage. Elle correspond à la charge progressive du condensateur C de sortie jusqu'à une tension de référence. e découpage est suivi d'un temps mort pendant lequel C se décharge lentement puis le découpage recommence. Pour réguler la tension de sortie, on peut agir sur le rapport cyclique T avec T fixe. Ce type d'alimentation est bien adapté à la conversion des fortes puissances. Pour les faibles puissances, il est souvent plus facile d'agir sur T, en maintenant fixe (ce qui sera le cas dans le TP). 'alimentation à découpage T497 Il s'agit d'un circuit intégré monolithique, travaillant à durée de conduction T fixe et à fréquence de découpage F variable. Ce circuit intègre divers éléments comme cela apparaît figure 2. e T497 est conçu pour accepter autour de lui différents composants annexes, en particulier la diode D et l'inductance et donner naissance à trois types d'alimentations, selon l'agencement des composants externes. On donne ci-dessous 3 types d'alimentation à découpage réalisables avec le T497 (montages inverseur, abaisseur et élévateur de tension continue, figures 3, 4, 5). es rendements indiqués sont obtenus pour des conditions optimales de fonctionnement. Dans tous les cas, le découpage est commandé par un oscillateur interne dont la fréquence est réglée par l'adjonction d'une capacité externe C 0. C Figure 2

7 III.Préparation théorique Nous utiliserons le montage décrit sur la figure 7 avec une tension d'alimentation =5V, l'inductance a une valeur de 4.5 mh. 1/ Si Vdecoup=0V, quelle sera la tension Vout 2/ Que se passe-t-il se on utilise ce circuit sans aucun charge (en circuit ouvert)? 3/ En mode 3 temps, pour une résistance de charge de 1.8 kω et un rapport cyclique de 50% et une fréquence de 10KHz, quelle est la tension de sortie? 4/ En mode 2 temps, pour une résistance de charge de 1.8 kω et un rapport cyclique de 50% et une fréquence de 20KHz, quelle est la tension de sortie? IV. Partie expérimentale A. Montage convertisseur Boost Nous allons utiliser la maquette avec le montage ci-dessous pour vérifier la théorie. Une résistance de charge de 1.8 kω est soudée sur la plaquette pour éviter toute manipulation. Une résistance de 1Ω a été placée en série avec l'inductance pour permettre de mesurer le courant i. a résistance n'étant pas reliée à la masse, il faudra utiliser une sonde différentielle pour faire la mesure sur l'oscilloscope. 1. Découpage Figure 7 : Maquette du montage booster a. Initialisation de la maquette et régime critique

8 ATTENTION! Afin de visualiser les courants dans les selfs avec l oscilloscope, vous utiliserez une sonde, la masse de celle-ci sera branchée sur le GND de la maquette, le crochet de signal sera sur le plot V Appliquer une tension de 5V au Vcc (+5V) de la plaquette. Générer un signal carré d'amplitude -1 V à 4 V, avec une fréquence 10 khz et un rapport cyclique de 50 % sur le générateur HP 8116A. Appliquer ce signal sur l'entrée de découpage. Visualisez la tension V avec une sonde sur l'oscilloscope, pour visualiser le courant dans l'inductance, il est préférable d'inverser la tension visualisée, pourquoi? Visualisez en même temps sur l'oscilloscope la tension Vdecoup. Quel est le mode de fonctionnement? Pourquoi? Observer avec le multimètre la tension obtenu sur Vout, commentaire par rapport à la théorie? Vous entendez un son, quel est son origine? Changer maintenant la fréquence du signal carré à 20KHz, quel est le mode de fonctionnement, vérifier Vout par rapport à la théorie. Chercher la fréquence de découpage qui permet de fonctionner en régime critique. b. Régime continu ou 2 temps Modifier maintenant la rapport cyclique à 80% et la fréquence à 40 KHz pour être en régime continu. Imprimer un oscillogramme avec le courant dans l'inductance et la commande du switch. Faites varier la fréquence tout en restant en régime continu, est-ce que la tension de sortie change? Commentaire par rapport à la théorie? Faites varier le rapport cyclique, tracer la tension de sortie en fonction du rapport cyclique tout en restant en régime continu. Respectez-vous la variation prévue dans la théorie? c. Régime discontinu ou 3 temps Choisissez maintenant une fréquence de 10 KHz et un rapport cyclique de 20% qui vous permette de travailler en régime discontinu. Imprimer un oscillogramme. Modifier la fréquence entre 5 et 20 KHz, est-ce que la tension de sortie est modifiée? Tracez la tension de sortie en fonction du rapport cyclique, comparaison par rapport à la théorie. 2. Régulation asservie manuellement a. Variation d'amplitude On veut maintenir une tension régulée de 20 V malgré d'éventuelles variations d amplitude de la tension V alim. Régler l amplitude de V alim pour avoir les 20 V régulés initiaux sur la charge nominale de 1.8 k en avec une fréquence de découpage de 20 KHz et un rapport cyclique de 50 %. Tracer le pourcentage de rapport cyclique du signal carré à appliquer en fonction d une variation de la tension V alim, pour maintenir 20 V. Aller jusqu aux limites de régulation. b. Variation de la charge On veut maintenir une tension régulée de 10 V malgré d'éventuelles variations de la charge. Régler une fréquence de découpage de 40 KHz et choisissez le rapport cyclique pour que Vout=10V. Brancher une résistance variable en parallèle avec la résistance de 1.8 K Tracer le pourcentage de rapport cyclique du signal carré à appliquer, en fonction d une diminution de la résistance de charge, pour maintenir 10 V. Partir de 200 et descendez jusqu à 120 par pas de 10

9 B. Montage Buck Boost auto-asservi Montage inverseur de tension (Fig. 6) Utilisez maintenant la maquette du montage Buck Boost Rôle des résistances R T, R D R : Mesurer (visualiser) les courants dans les branches où elles se trouvent. Court-circuiter ces résistances si elles ne sont pas utilisées pour la mesure. Prendre : V E 5V, C 0 470pF, 100 H, 100. Ces conditions de mesure peuvent être éventuellement modifiées pour mieux mettre en évidence certains phénomènes. Utiliser une sonde capacitive (capacité de sonde ~ 11 pf). Mesurer la tension en sortie sur le multimètre, commentaire sur le signe de la tension continu. Faites varier la tension en entrée entre 1 et 7 V, et observer l évolution de la tension de sortie. Observer aussi les signaux du courant i (t) dans l'inductance, de la tension en sortie immédiate du transistor v T (t), et de la tension sur la diode. Commentaires? Mettez une tension d entrée de 3V, et faites varier la charge Rc entre 3 et 3300 Ω, commentaires. R C