Cours sur les alimentations électriques en PDF


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            Labo Electronique / Robotique.                    page 29 / 44 Richard  KOWAL !

ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE. LES ALIMENTATIONS ELECTRIQUES.

III.1) Les alimentations non isolées de la source: (avec une bobine).

Elles permettent d’abaisser, élever et inverser une tension continue avec de très faibles pertes. Par conséquent ils ont un très bon rendement, peu d’énergie à dissiper par le transistor.

Vs =a Ve aveca<1

                    III.1.1.1) Principe de fonctionnement :                                                      

Le transistor T est commandé par une horloge  H. Pendant le temps haut de l’horloge ( PHASE N°1 de 0 à a T), le transistor T est commandé et la bobine L emmagasine de l’énergie, puis pendant le temps bas de l’horloge (PHASE N°2 de a T à T), le transistor est bloqué et la bobine L restitue l’énergie emmagasinée.

                                TH a T

Le rapport cyclique a =          =

                                                                               T        T

?

            Labo Electronique / Robotique.                    page 30 / 44 Richard  KOWAL !

ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE. LES ALIMENTATIONS ELECTRIQUES.

Remarques importantes: Pour comprendre le fonctionnement desseurs à découpage, deux conditions sont fondamentales :

1)    La valeur moyenne de la tension aux bornes d’une bobine est nulle.

2)    La tension de sortie est continue.

Phase N°1 (0 à a T)

                      Phase N°2 (a T à T)   

Explications : Le transistor est passant et la diode D est bloquée.

 

UL = UE ?US avecUE >US

Explications : Le transistor est bloqué et c’est la bobine qui fournit l’énergie aumontage, la diode D est passante.

Schéma équivalent :

L = ? US         U

                                     III.1.1.2) Calcul de la fonction de transfert :           US = f (UE )

La valeur moyenne de la tension aux bornes d’une bobine est toujours nulle :

 

US =aUE ?

            Labo Electronique / Robotique.                    page 31 / 44 Richard  KOWAL !

 

   

            LES ALIMENTATIONS ELECTRIQUES.

ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE.

III.1.1.4)Choix des composants.

 III.1.1.4.1) Choix de la bobine.

               Son calcu: l:                                                              

Le calcul de la valeur de la self passe par l’ondulation crête à crête du courant de celle-ci, soit?IL .

?IL =IM ?Im =VE ?Vs aT

L

?IL = (1?a)Vs LF

   

L = (1?a )Vs

?ILF

                Soit:

DIL Ondulation crête à crête du courant dans la bobine. F : Fréquence de travail du convertisseur.

Nota :

Critères technologiques :

Les selfs utilisées dans les alimentations à découpage doivent en autre supporter les hautes fréquences (jusqu’à 100KHz). Il faut toujours choisir les modèles préconisés par les constructeurs.

?

           Labo Electronique / Robotique.                    page 33 / 44 Richard  KOWAL !

= (1 ?a2)?VVs S

8LF

 III.1.1.4.2) Choix du condensateur.

            Son calcul:

IS= <IL>

IC= IL - I

<VS(t)>

Soit:

                DVS Ondulation crête à crête de la tension de sortie.

Critères technologiques:                    

Les condensateurs utilisés dans les alimentations à découpage doivent avoir une faible résistance série (ESR Effective Serie Resistor). En effet l’ondulation de la ten-sion de sortie est proportionnelle aux variations de courant du condensateur.

?

ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE. LES ALIMENTATIONS   ELECTRIQUES.

III.1.1.4.3) Choix de la diode et du transistor T.

Le principal critère de choix de la diode doit être la rapidité, en effet les convertisseurs à découpage fonctionnent à des fréquences de l’ordre de la dizaine de kilo-hertz. On choisit par conséquent des diodes rapides comme les diodes            schottky.

Pour le transistor, il doit posséder une faible résistance et commuter rapidement, on utilise souvent des transistors MOS.  

h=VS (VE ?Vsat +VD ) VE (VS +VD )

?I L = (1?a )a VE LF

III.1.1.5) Performances.

Rendement: Si on considère des composants parfaits (VSAT=0V et Vseuil=0 V ) le rendement est de    100%, c'est-à-dire que l’on ne perd pas d’énergie ! !

En réalité la diode a une tension de seuil VD et le transistor une tension VSAT à ses bornes quand il conduit. On peut dans ces conditions calculer le rendement :

Avec cette équation on obtient des rendements de l’ordre de 80% à 90%, à comparer aux rendements des alimentations classiques de l’ordre de 50%. Courbe de transfert.

Ø   Ondulation du courant dans l’inductance :

?VS = (1?a )a V2 E 8LCF

Ø   Ondulation de la tension de sortie?(ESR = 0 W)

            Labo Electronique / Robotique.                    page 35 / 44 Richard  KOWAL !

Phase N°1 (0 à a T)

Phase N°2 (a T à T)

Explications : Le transistor est passant et la diode D est bloquée. Le condensateur restitue son énergie.

 

UL = UE avecUS >UE

Explications : Le transistor estbloqué et c’est la bobine qui fournit l’énergie au montage, la diode D est passante.

 

US = UE ? UL etU L = L d IL dt

Comme le courant IL diminue alors UL US > UE

 

?

UL(t)

VE

La valeur moyenne de la tension aux bornes d’une bobine est toujours nulle :



US = UE

(1?a )

Courbe de transfert.

Les tensions élevées avec un rapport cyclique proche de 1 sont difficiles à atteindre à cause des imperfections des composants. ?

            Labo Electronique / Robotique.                    page 37 / 44 Richard  KOWAL !

 

ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE. LES ALIMENTATIONS   ELECTRIQUES.

       III.1.2.3) Etude des signaux:                             

Phase N°1 (0 à a T)

Phase N°2 (a T à T)

1) IL : Courant dans la bobine : Le courant dans la bobine augmente.

di

L L = UE           dt

IL(t) = UE t + Imin L

1) IL : Courant dans la bobine : Le courant dans la bobine diminue. 

di

L  L = UE ?US dt

U ?U

IL(t) =? S              E t +Imax L

2) ID : Courant dans la diode

La diode est bloquée : ID(t)= 0

         3)    ID : Courant dans la diode

La diode est passante :ID(t) = IL(t)

3) IT : Courant dans le transistor

Le transistor est passant :IT(t) = IL(t)

3) IT : Courant dans le transistor

Le transistor est bloqué IT(t)= 0

            Labo Electronique / Robotique.                    page 37 / 44                                 Richard  KOWAL !

ELECTRONIQUE  / ROBOTIQUE.LES ALIMENTATIONS   ELECTRIQUES.

III.1.2.4) Choix des composants.

   

L = (1?a )a Vs

 ?ILF

 F : Fréquence de travail du convertisseur, DIL Ondulation crête à crête du courant dans la bobine.

Critères technologiques :

Les selfs utilisées dans les alimentations à découpage doivent en autre supporter les hautes fréquences (jusqu’à 100KHz). Il faut toujours choisir les modèles préconisés

a

C IS F ? VS

DVS Ondulation crête à crête de la tension de sortie.

par les constructeurs.

III.1.2.4.2) Le condensateur.

                       Critères technologiques:                                            

Les condensateurs utilisés dans les alimentations à découpage doivent avoir une faible résistance série (ESR Effective Serie Resistor).

III.1.2.4.3) Choix de la diode et du transistor T.

Le principal critère de choix de la diode doit être la rapidité, en effet les convertisseurs à découpage fonctionnent à des fréquences de l’ordre de la dizaine de kilohertz. On choisit par conséquent des diodes rapides comme les diodes schottky.

Pour le transistor, il doit posséder une faible résistance et commuter rapidement, on utilise souvent des transistors MOS.

                      III.1.2.5) Performances.                                                                     

Rendement : Si on considère des composants parfaits (VSAT=0V et Vseuil=0V) le rendement est de 100%, c'est-à-dire que l’on ne perd pas d’énergie ! !       

En réalité la diode a une tension de seuil VD et le transistor une tension VSAT à ses bornes quand il conduit. On peut dans ces conditions calculer le rendement :

   

h= VS (VE ?Vsat )

VE (VS +VD ?Vsat )

 

Avec cette équation on obtient des rendements de l’ordre de 80% à 90%, à comparer aux rendements des alimentations classiques de l’ordre de 50%.

                         Ondulations de sorties.            

Ø  Ondulation du courant dans l’inductance :

a

?I L = VE LF

?VS = I S a CF

Ø  Ondulation de la tension de sortie?(ESR = 0W):

            Labo Electronique / Robotique.                    page 39 / 44 Richard  KOWAL !

Ue

III.1.3.1) Principe de fonctionnement :

Le transistor T est commandé par une horloge H. Pendant le temps haut de l’horloge (PHASE N°1 de 0 à a T), le transistor T est commandé, la bobine L emmagasine de l’énergie et le condensateur C restitue son énergie à la charge. Pendant le temps bas de l’horloge (PHASE N°2 de a T à T), le transistor est bloqué et la bobine L restitue l’énergie emmagasinée, la diode est passante, le courant IL diminue donc UL change de signe et devient négative et par conséquence US.

S

Phase N°1 (0 à a T)

Phase N°2 (a T à T)

Explications : Le transistor est passant et la diode D est bloquée. Le condensateur resti-tue son énergie.

UL = UE avecUS <UE

VS

Explications: Le transistor est bloqué et c’est la bobine qui fournit l’énergie au montage, la diode D est passante.

US = ? UL etUL = L d IL

dt

comme le courant I L diminue alors UL US > UE

 

?

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ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE. LES ALIMENTATIONS   ELECTRIQUES.

US = f(UE )

III.1.3.2) Calcul de la fonction de transfert :

La valeur moyenne de la tension aux bornes d’une bobine est toujours nulle :

a

US =? UE

(1?a )

  Courbe de transfert.                      1                    

Les tensions élevées avec un rapport cyclique proche de 1 sont difficiles à atteindre à cause des imperfections des composants. ?



            Labo Electronique / Robotique.                    page 41 / 44 Richard  KOWAL !

ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE. LES ALIMENTATIONS   ELECTRIQUES.

III.1.3.3) Etude des signaux

Phase N°1 (0 à a T)

Phase N°2 (a T à T)

1) IL : Courant dans la bobine : Le courant dans la bobine augmente. 

di

L L = UE           dt

IL(t) = UEt + Imin L

1) IL : Courant dans la bobine : Le courant dans la bobine diminue.

             di                       

L  L = US dt

IL(t) = US t + ImaxL

2) ID : Courant dans la diode

La diode est bloquée : ID(t)= 0

        4)    ID : Courant dans la diode

La diode est passante :ID(t) = IL(t)

3) IT : Courant dans le transistor

Le transistor est passant :IT(t) = IL(t)

3) IT : Courant dans le transistor

Le transistor est bloqué IT(t)= 0

 

?

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ELECTRONIQUE  / ROBOTIQUE.LES ALIMENTATIONS   ELECTRIQUES.

III.1.3.4) Choix des composants.

                        III.1.3.4.1)   La bobine.

F : Fréquence de travail du convertisseur.

DIL Ondulation crête à crête du courant dans la bobine.

Critères technologiques :

Les selfs utilisées dans les alimentations à découpage doivent en autre supporter les  hautes fréquences (jusqu’à 100KHz). Il faut toujours choisir les modèles préconisés par les constructeurs.

a

C = ?IVS S F

DVS Ondulation crête à crête de la tension de sortie.

III.1.3.4.2) Le condensateur.

Critères technologiques :

 Les condensateurs utilisés dans les alimentations à découpage doivent avoir une faible résistance série (ESR Effective Serie Resistor). En effet l’ondulation de la ten-sion de sortie est proportionnelle aux variations de courant du condensateur.

                     III.1.3.4.3) Choix de la diode et du transistor T.                                                        

Le principal critère de choix de la diode doit être la rapidité, en effet les convertisseurs à découpage fonctionnent à des fréquences de l’ordre de la dizaine de kilo- hertz. On choisit par conséquent des diodes rapides comme les diodes schottky.

Pour le transistor, il doit posséder une faible résistance et commuter rapidement, on utilise souvent des transistors MOS.

   III.1.3.5) Performances.                           

Rendement : Si on considère des composants parfaits (VSAT=0V et Vseuil=0 V ) le rendement est de 100%, c'est-à-dire que l’on ne perd pas d’énergie ! !

En réalité la diode a une tension de seuil VD et le transistor une tension VSAT à ses bornes quand il conduit. On peut dans ces conditions calculer le rendement :

   

h=VS (VE ?Vsat ) VE (VS +VD )

 

Avec cette équation on obtient des rendements de l’ordre de        80% à 90%, à comparer aux rendements des alimentations classiques de l’ordre de 50%.

Ondulations de sorties.     

a V

            Ø Ondulation du courant dans l’inductance:                                                       ?I L = LFE

              ØOndulation de la tension de sortie?(ESR = 0W):                           ?VS = IS a

CF

            Labo Electronique / Robotique.                    page 43 / 44 Richard  KOWAL !                                                                                                                                                              

 

ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE. LES ALIMENTATIONS ELECTRIQUES.

IV) Bibliographie.

Alimentations à découpage  Michel GIRARD  DUNOD.

Alimentations linéaires  Michel GIRARD DUNOD.

Les alimentations électroniques  Pierre Mayé -DUNOD.

Les alimentations électroniques.  R. DAMAYE    Documents Techniques " constructeurs ".

Mes cours " Electronique technique Industrielle du C.N.A.M "

Internet.

L'AUTEUR DE CE POLY :    Richard KOWAL   Labo Electronique.

magazine

 

Ce document est la propriété intellectuelle de son auteur.

La fin de ce poly !

Sciences de l’Ingénieur ?

            Labo Electronique / Robotique.                    page 44 / 44 Richard  KOWAL !

 Notes personnelles

ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE.

 

            Labo Electronique / Robotique. Richard  KOWAL !?

                l'Electronique !  

Notes personnelles

ELECTRONIQUE  /  ROBOTIQUE.

 

            Labo Electronique / Robotique. Richard  KOWAL !?



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