GELE4011 Chapitre 5: Alimentation électrique

GELE4011 Chapitre 5: Alimentation électrique Gabriel Cormier, Ph.D., ing. Université de Moncton Automne 2010 Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 1 / 35

Contenu 1 Introduction 2 Courbe de régulation CC 3 Alimentation bipolaire non-régulée 4 Régulateur de tension 5 Régulateurs variables 6 Circuit de protection externe Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 2 / 35

Introduction Introduction Alimentation électrique : conversion CA - CC Non-régulée : le niveau CC diminue si on augmente le courant à la charge, Régulée : La tension CC est stable, sans ondulations. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 3 / 35

Transformateur Introduction Transformateur : réduire la tension du réseau 120/24 + 120V rms 12V rms 24V rms CT Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 4 / 35

Redressage Introduction Pont de diodes : redresser la tension 120/24 1 34V 34V 2 Alimentation flottante : pas de + ou spécifiques. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 5 / 35

Filtrage Introduction Condensateur pour filtrer : 500µF ou plus + C V L V cc 34V Sortie sans charge Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 6 / 35

Charge Introduction L ajout d une charge fait diminuer la tension de sortie i L = 1A 1000µF R L Pleine charge Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 7 / 35

Charge Introduction 30 20 V L v o = 5V 10 V cc = 24V 0 t Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 8 / 35

Introduction Charge Effet de la charge : La tension CC diminue lorsque I augmente Ondulation CA : v o Ondulations augmentent si I augmente Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 9 / 35

Charge Introduction Ondulations : où v o I L 200C v o 3.5V rms avec V rms = tension mesurée par un voltmètre CA Tension instantanée minimale : V Lmin = V ccpc v o 2 Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 10 / 35

Courbe de régulation CC Mesure de la variation CC A 1000µF R L V Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 11 / 35

Courbe de régulation CC Mesure de la variation CC Courbe typique : Vcc 34 O A 24 0 1 I cc Point O : V cc = E m, I cc = 0 Point A : V ccpc = 24V, I L = 1A Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 12 / 35

Courbe de régulation CC Modélisation du comportement Modélisé par une résistance de sortie R o : ou, V ccpc = où I pc est le courant à pleine charge. R L R L + R o V ccsc V ccsc = V ccpc + I pc R o On utilise la courbe de régulation pour calculer la résistance R o. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 13 / 35

Courbe de régulation CC Exemple Pour une alimentation électrique ayant E m = 34V, V ccpc = 24V, I pc = 1A, 1 Calculer la résistance interne R o, 2 Donner la tension CC à mi-charge (I L = 0.5A) a) Selon les équations précédentes, b) La tension à mi-charge est : R o = V cc sc V ccpc 34 24 = = 10Ω I pc 1 V cc = V ccsc R o I L = 34 (0.5)(10) = 29 V Note : le 5V perdu est interne à l alimentation et cause une dissipation de (5)(0.5) = 2.5W en chaleur. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 14 / 35

Courbe de régulation CC Résistance interne R o R o modélise : Pertes internes du transformateur Pertes dans les diodes Pertes des condensateurs Pertes du câblage Seule la contribution totale est importante Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 15 / 35

Courbe de régulation CC Exemple Faire la conception d une alimentation CC non-régulée pour obtenir 12V à 1A avec moins de 10% d ondulations. On sépare le design en deux parties : 1 La partie CC donne la taille du transformateur et des diodes, 2 La partie CA donne la taille du condensateur. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 16 / 35

Courbe de régulation CC 1) Partie CC : On a deux équations de design : et 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 (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 17 / 35

Exemple Courbe de régulation CC On estime R o = 10Ω. Alors, V ccsc = 12 + (1)(10) = 22 V = E m et E rms = Em 2 = 15.6 V acheter un transformateur 120V/15.6V, (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 2.2A, soit le modèle 166L16 de Hammond Manufacturing. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 18 / 35

Courbe de régulation CC Exemple Choix du pont de diodes : Choisir les diodes selon le courant moyen et la tension crête maximale (PIV). Choisir une diode ayant I moy > I pc, PIV = V ccsc + 20% Exemple : DF005-G de Comchip Technologies. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 19 / 35

Courbe de régulation CC Exemple : Partie CA Ondulations : et l ondulation : Condensateur : V rms = (%ond)(v ccpc ) = (0.1)(12) = 1.2 V v o = 3.5(1.2) = 4.2 V C = I L 200 v o = 1190µF Choisir un condensateur plus grand que la valeur calculée, ex : C = 1500µF. Note : Les condensateurs ont eux aussi une tension crête maximale (WVDC). Choisir WVDC = V ccsc + 20%. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 20 / 35

Courbe de régulation CC Exemple : Design total Transformateur : 120/16V à 2.2A Pont de diodes : 50V à 1A Condensateur : 1500µF, WVDC = 25V ou plus Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 21 / 35

Alimentation bipolaire non-régulée Alimentation bipolaire Nécessaire pour plusieurs dispositifs électroniques Utiliser deux secondaires, ou Transfo avec accès central (center tap) Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 22 / 35

Alimentation bipolaire non-régulée Alimentation bipolaire 120/24 C+ C 1 CT 2 + + V L = 2 12 = 17V V L = 2 12 = 17V Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 23 / 35

Alimentation bipolaire non-régulée Trois configurations possibles 1 +17V 1 +34V Alimentation CT Alimentation CT +17V a) Alimentation bipolaire 2 17V b) Alimentation positive double 1 2 Alimentation CT 2 17V 34V c) Alimentation négative double Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 24 / 35

Alimentation bipolaire non-régulée Désavantages Tension CC diminue si le courant augmente Ondulations CA augmentent si le courant augmente Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 25 / 35

Régulateur Régulateur de tension 120V 60Hz Alimentation non-régulée V L Régulateur de tension V L Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 26 / 35

Régulateur de tension Classification 1 Polarité : positif ou négatif, ou double 2 Bornes : 3 bornes ou plus 3 Fixe ou variable : certaines valeurs fixes sont ±5V, ±12V, ±15V et variable de 1.2V à 37V ou 1.2V à 37V. 4 Courant de sortie : 0.1A, 0.25A, 0.5A, 1.5A, 5A, 10A. Exemple : LM7818CT, de Fairchild Semiconductor, qui fournit 1A à la sortie, de 18V. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 27 / 35

Régulateur de tension Régulateur Nécessite 0.5V à 3V de marge 3V minimum IN + LM340K-15 OUT + 0.22µF GND 1µF 15V R L Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 28 / 35

Tension d entrée Régulateur de tension Tension minimale à l entrée : V Lmin = V ccpc v o 2 Exemple : pour le LM340K-15, il faut 18V à l entrée du régulateur (marge de 3V, et sortie de 15V). Si les ondulations sont 5V à pleine charge, la tension CC à pleine charge est donc : V ccpc = V Lmin + v o 2 = 18 + 5 2 = 20.5 V Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 29 / 35

Régulateur de tension Désavantages Nécessite un dissipateur thermique Ex : LM7805 nécessite 2V de marge, avec 1A : 2W Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 30 / 35

Régulateur variable Régulateurs variables IN OUT LM317 + + 1.25V R 1 C 1 ADJ C 2 v o R L R 2 La tension de sortie est ajustée par R 2 Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 31 / 35

Régulateur variable Régulateurs variables Résistance R 1 suggérée par le manufacturier : 240Ω, ce qui donne un courant de 5mA dans R 1 et R 2 (le courant qui sort de ADJ est négligeable). La tension totale de sortie est la somme des tensions dans R 1 et R 2 : ( v o = 1.25 + 5R 2 = 1.25 1 + R ) 2 240 Comme exemple, pour alimenter un circuit TTL (5V), il faut utiliser R 2 = 760Ω. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 32 / 35

Régulateurs variables Désavantage Consommation de puissance supérieure Ex : 5V à la sortie : 25mW Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 33 / 35

Circuit de protection externe Protection D 1 IN LM317 OUT D 2 R 1 C 1 ADJ C 2 R L v o + R 2 C 3 C 2 µf, C 3 10µF. Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 34 / 35

Circuit de protection externe Protection D 1 protège contre les court-circuits à l entrée C 3 améliore les ondulations CA D 2 protège contre les court-circuits à la sortie Gabriel Cormier (UdeM) GELE4011 Chapitre 5 Automne 2010 35 / 35