ELECTRONIQUE 3D
L'ELECTRONIQUE FACILE ET AMUSANTE
Les alimentations à découpage
Généralité sur les alimentations à découpage :
- Une alimentation à découpage travaille de manière très différente par rapport à une alimentation linéaire. Tout le fonctionnement s'articule autour de la self alimentée en régime de commutation à une fréquence élevée (entre 20 kHz et 300 kHz environ, selon les fabricants). Pour expliquer simplement le principe relatif à cette technologie, il faut savoir qu'en présence d'une tension, l'intensité aux bornes de la self croît régulièrement : elle se charge en courant.
- À la mise hors tension, le courant ne pouvant plus circuler provoque une très forte montée en tension. C'est cette caractéristique qui est mise à profit. Pour travailler électroniquement à très grande vitesse, l'interrupteur chargé de mettre la self en et hors tension est généralement remplacé par un transistor MOSFET de puissance à très faible résistance de fonctionnement (quelques milliohms). Une diode rapide aiguille l'énergie vers un ou plusieurs condensateurs faisant office de réservoirs.
- Les termes qui nomment et définissent les alimentations à découpage sont, malheureusement anglais. Voyons les principaux :
Step-down ou Buck: Définit une alimentation où la tension de sortie est inférieure à celle d'entrée. L'interrupteur électronique est placé comme sur une régulation série.
Step-up ou Boost: La tension de sortie est supérieure à celle d'entrée. L'interrupteur électronique est positionné comme pour une régulation parallèle.
Buck-Boost: C'est un convertisseur qui inverse la tension. l'interrupteur est de type "série", mais la diode est inversée.
Ayback : La self est remplacée par un transformateur dans un montage Step-down.
Forward : La self est également remplacée par un transformateur mais nécessite un enroulement supplémentaire.
À résonance : La commutation ne s'effectue que lorsque l'intensité est nulle dans la self, ce qui évite les parasites liés aux commutations à pleine puissance.
À pompe de charges: Ces alimentations ne font plus appel aux inductances mais à des condensateurs. Elles ne peuvent fournir que de faibles puissances (quelques mA). Il existe une multitude de circuits intégrés spécialisés pour les alimentations à découpage. Nous avons choisi, pour cet article, le SG3524 ou LM3524 capable de gérer plusieurs configurations. D'une puissance réduite, il est possible de lui adjoindre des MOSFET externes permettant de commuter de fortes puissances. Nous n'étudierons ici que les deux premiers modèles: step-up et stepdown, les plus simples à mettre en oeuvre et les plus répandus.
- Une alimentation à découpage travaille de manière très différente par rapport à une alimentation linéaire. Tout le fonctionnement s'articule autour de la self alimentée en régime de commutation à une fréquence élevée (entre 20 kHz et 300 kHz environ, selon les fabricants). Pour expliquer simplement le principe relatif à cette technologie, il faut savoir qu'en présence d'une tension, l'intensité aux bornes de la self croît régulièrement : elle se charge en courant.
- À la mise hors tension, le courant ne pouvant plus circuler provoque une très forte montée en tension. C'est cette caractéristique qui est mise à profit. Pour travailler électroniquement à très grande vitesse, l'interrupteur chargé de mettre la self en et hors tension est généralement remplacé par un transistor MOSFET de puissance à très faible résistance de fonctionnement (quelques milliohms). Une diode rapide aiguille l'énergie vers un ou plusieurs condensateurs faisant office de réservoirs.
- Les termes qui nomment et définissent les alimentations à découpage sont, malheureusement anglais. Voyons les principaux :
Step-down ou Buck: Définit une alimentation où la tension de sortie est inférieure à celle d'entrée. L'interrupteur électronique est placé comme sur une régulation série.
Step-up ou Boost: La tension de sortie est supérieure à celle d'entrée. L'interrupteur électronique est positionné comme pour une régulation parallèle.
Buck-Boost: C'est un convertisseur qui inverse la tension. l'interrupteur est de type "série", mais la diode est inversée.
Ayback : La self est remplacée par un transformateur dans un montage Step-down.
Forward : La self est également remplacée par un transformateur mais nécessite un enroulement supplémentaire.
À résonance : La commutation ne s'effectue que lorsque l'intensité est nulle dans la self, ce qui évite les parasites liés aux commutations à pleine puissance.
À pompe de charges: Ces alimentations ne font plus appel aux inductances mais à des condensateurs. Elles ne peuvent fournir que de faibles puissances (quelques mA). Il existe une multitude de circuits intégrés spécialisés pour les alimentations à découpage. Nous avons choisi, pour cet article, le SG3524 ou LM3524 capable de gérer plusieurs configurations. D'une puissance réduite, il est possible de lui adjoindre des MOSFET externes permettant de commuter de fortes puissances. Nous n'étudierons ici que les deux premiers modèles: step-up et stepdown, les plus simples à mettre en oeuvre et les plus répandus.
Alimentation à découpage de type Step-down
- La tension de sortie est plus faible que la tension d'entrée. Les figures 6a et 6b donnent les deux phases de fonctionnement du principe électrique de ce genre d'alimentation. Le transistor MOSFET à très faible résistance de fonctionnement (Fb on max ) et capable de supporter une forte intensité (Io) se comporte comme un interrupteur électronique. Celui-ci est commandé en modulation de largeur d'impulsions (MU ou PWM en anglais) par un oscillateur. Les périodes pendant lesquelles il est passant ou bloqué sont de durée variable afin de réguler la tension de sortie .
- Lorsque le transistor T conduit (figure 6a), la charge est alimentée à travers l'inductance L sous une tension approximativement égale à celle d'entrée. Le courant ne traverse pas la diode D, raccordée à l'inverse. Le condensateur C se charge en même temps. Durant la phase de blocage de T (figure 6b), la self force le point -U- (commun de la cathode de la diode et de la source du transistor) au potentiel négatif pour maintenir la fuite du courant. La diode devient conductrice et le courant s'écoule à travers D et L. la tension est filtrée par L et C afin d'obtenir un signal continu de bonne qualité en sortie. La self génère un accroissement du courant Δl issu de son changement de tension (courant de rupture). La meilleure règle consiste à maintenir un "Δl " d'environ 40 % de l nominal, voir le graphique de la figure 7.
- La tension de sortie est plus faible que la tension d'entrée. Les figures 6a et 6b donnent les deux phases de fonctionnement du principe électrique de ce genre d'alimentation. Le transistor MOSFET à très faible résistance de fonctionnement (Fb on max ) et capable de supporter une forte intensité (Io) se comporte comme un interrupteur électronique. Celui-ci est commandé en modulation de largeur d'impulsions (MU ou PWM en anglais) par un oscillateur. Les périodes pendant lesquelles il est passant ou bloqué sont de durée variable afin de réguler la tension de sortie .
- Lorsque le transistor T conduit (figure 6a), la charge est alimentée à travers l'inductance L sous une tension approximativement égale à celle d'entrée. Le courant ne traverse pas la diode D, raccordée à l'inverse. Le condensateur C se charge en même temps. Durant la phase de blocage de T (figure 6b), la self force le point -U- (commun de la cathode de la diode et de la source du transistor) au potentiel négatif pour maintenir la fuite du courant. La diode devient conductrice et le courant s'écoule à travers D et L. la tension est filtrée par L et C afin d'obtenir un signal continu de bonne qualité en sortie. La self génère un accroissement du courant Δl issu de son changement de tension (courant de rupture). La meilleure règle consiste à maintenir un "Δl " d'environ 40 % de l nominal, voir le graphique de la figure 7.
Alimentation à decoupage Step-down
Figure 7
Figure 7
- Voici un exemple de schéma de principe d'alimentation à découpage à réduction de tension (Siep down). Au coeur de la figure 8, notez la présence du circuit intégré spécialisé SG3524. la vue interne du composant permet de mieux comprendre le fonctionnement, contrairement aux schémas habituels, peu explicites avec un simple rectangle sombre pour toute représentation du circuit intégré. On constate la présence d'une tension de référence, générée de manière interne.
- Un amplificateur d'erreur compare une fraction de cette tension (R4, R5) à celle prélevée en sortie au moyen d'un diviseur de tension (R2, AJl , R3). Cette fonction permet de régler et réguler la tension de sortie. Les valeurs de R6, AJ2 el C4 définissent la fréquence de l'oscillateur interne. Le SG3524 comprend également un limiteur de courant, inutilisé ici, mais indispensable dans une alimentation de laboratoire. Vous retrouvez les principaux organes cités ci-dessus, à savoir le transistor MOSFET, la diode, la self et le condensateur de sortie.
- Un amplificateur d'erreur compare une fraction de cette tension (R4, R5) à celle prélevée en sortie au moyen d'un diviseur de tension (R2, AJl , R3). Cette fonction permet de régler et réguler la tension de sortie. Les valeurs de R6, AJ2 el C4 définissent la fréquence de l'oscillateur interne. Le SG3524 comprend également un limiteur de courant, inutilisé ici, mais indispensable dans une alimentation de laboratoire. Vous retrouvez les principaux organes cités ci-dessus, à savoir le transistor MOSFET, la diode, la self et le condensateur de sortie.
Figure 8
Alimentation à découpage de type " Step-up "
- La tension de sortie est plus élevée que la tension d'entrée. Les figures 9a et 9b donnent les deux états définissant le principe électrique de ce modèle d'alimentation. Là encore, un transistor MOSfET de puissance fait office d'interrupteur électronique commandé en largeur d'impulsions par un oscillateur.
Passant ou bloqué durant des laps de temps différents, il régule la tension de sortie. Lorsque le transistor T conduit (figure 9a), l'énergie est stockée dans la self L, la diode D montée à l'inverse empêche la décharge du condensateur C. Durant la phase de blocage de T (figure 9b), l'énergie emmagasinée par l'inductance L s'écoule en chargeant le condensateur C via la diode 0 afin de compenser la décharge du condensateur, survenue durant le temps de conduction de T.
La self génère sensiblement le même accroissement de courant "Δl "que pour l'alimentation de type "Step down", voyez le graphique de la figure 7. Ici aussi, voici un exemple de schéma de principe d'alimentation à découpage à élévation de tension (Step up) sur la figure 10. le circuit intégré spécialisé SG3524 est également mis à contribution.
La vue interne du composant facilite la compréhension du fonctionnement la régulation de la tension de sortie s'effectue par le biais de l'amplificateur d'erreur chargé de comparer une fraction de la tension de référence (R4, RS) à celle prélevée en sortie au moyen d'un diviseur de tension (R2, AJl, R3). On retrouve les principaux composants cités lors de l'étude théorique: Le transistor MOSFET, la diode, la self et le condensateur de sortie.
- La tension de sortie est plus élevée que la tension d'entrée. Les figures 9a et 9b donnent les deux états définissant le principe électrique de ce modèle d'alimentation. Là encore, un transistor MOSfET de puissance fait office d'interrupteur électronique commandé en largeur d'impulsions par un oscillateur.
Passant ou bloqué durant des laps de temps différents, il régule la tension de sortie. Lorsque le transistor T conduit (figure 9a), l'énergie est stockée dans la self L, la diode D montée à l'inverse empêche la décharge du condensateur C. Durant la phase de blocage de T (figure 9b), l'énergie emmagasinée par l'inductance L s'écoule en chargeant le condensateur C via la diode 0 afin de compenser la décharge du condensateur, survenue durant le temps de conduction de T.
La self génère sensiblement le même accroissement de courant "Δl "que pour l'alimentation de type "Step down", voyez le graphique de la figure 7. Ici aussi, voici un exemple de schéma de principe d'alimentation à découpage à élévation de tension (Step up) sur la figure 10. le circuit intégré spécialisé SG3524 est également mis à contribution.
La vue interne du composant facilite la compréhension du fonctionnement la régulation de la tension de sortie s'effectue par le biais de l'amplificateur d'erreur chargé de comparer une fraction de la tension de référence (R4, RS) à celle prélevée en sortie au moyen d'un diviseur de tension (R2, AJl, R3). On retrouve les principaux composants cités lors de l'étude théorique: Le transistor MOSFET, la diode, la self et le condensateur de sortie.
Bibliographie Y. MERGY @ Electronique pratique N295
Figure 9A 9B
Figure 10
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