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juin 01, 2017

Circuit de base d’une alimentation à découpage parallèle : 

 Au contraire des alimentations à découpage série (abaisseur de tension) qui sont conçues pour supporter de fort courant, les alimentations parallèles sont utilisées dans les applications nécessitant une tension élevée. La tension de sortie peut même dépasser celle de la source d’entrée. Évidemment, il y a un prix à payer pour obtenir une tension de sortie plus élevée, et ce prix sera un courant de source accru. Une tension dix fois plus élevée à la sortie nécessitera un courant d’entrée dix fois plus grands.

Avant d’entreprendre l’analyse d’un circuit complet de régulateur en commutation parallèle, regardons ensemble les deux figures ci-dessous. La Figure 2-10 représente le schéma de principe à l’état de conduction. Celle de la Figure 2-11 indique le fonctionnement lorsque l’interrupteur est au repos.


Le circuit de la Figure 2-10 représente l’état d’un régulateur en commutation parallèle lorsque l’interrupteur est fermé. Lors de cet intervalle, la bobine se charge en augmentant la force de son champ magnétique. La diode de commutation bloque la décharge du condensateur à travers l’interrupteur pour que celui-ci puisse fournir le courant à la résistance de charge. Il faut nécessairement quelques cycles avec l’interrupteur ouvert avant que le condensateur soit à pleine capacité.
Lorsque l’interrupteur s’ouvre (Figure 2-11), suivant le taux d’utilisation de celui-ci, la bobine devient alors générateur de courant isolant ainsi la tension de source du circuit de sortie. Puisque la bobine agit comme une source de courant, elle ne fait que fournir le courant nécessaire à la charge du condensateur en plus d’alimenter la résistance de charge (RL). La tension qui se retrouve alors aux bornes de la bobine se trouve la différence entre la source et la tension de sortie. N’oubliez pas qu’un générateur de courant développe une tension pour générer son courant. 


Équations du régulateur à découpage parallèle :

Ci-dessous sont représentées les principales équations du régulateur en commutation parallèle élévateur de tension.





Formes d’onde du régulateur à découpage série :

Les formes ci-dessous indiquent à quel moment l’interrupteur est en conduction (ton) et à quel instant ce dernier est au repos (toff). De plus, la forme d’onde du bas représente le courant circulant dans la bobine. Lors du temps de conduction, la bobine se charge à travers l’élément de commutation. Pendant ce temps, le condensateur fournit le courant de sortie. Lors du temps d’arrêt ou temps de blocage, la bobine se décharge à travers la charge et la diode. Ce courant de décharge permet d’alimenter la résistance de charge ainsi que de réaugmenter la tension aux bornes du condensateur. 











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juin 01, 2017
 Alimentation à découpage série auto-oscillant à 723 :

     L’un des plus utilisés des principes des régulateurs à découpage, ce circuit entretien une oscillation en fonction de la tension nécessaire à la sortie. Le circuit est dit auto-oscillant puisque l’amplificateur opérationnel est en constante correction de façon à garder la tension de sortie stable.
Au départ, la sortie est à 0V; le circuit d’échantillon (4k7,6k8) retourne cette information à la broche inverseuse. Puisque la broche non-inverseuse est maintenue à environ +7.15V, la sortie du 723 tombe en conduction et permet ainsi le passage du courant de sortie. Une fois que la tension à la broche 4 surpasse la broche 5, le transistor du 723 bloque et la tension de sortie baisse. Ce cycle s’entretient de lui-même puisque le comparateur tentera de garder la tension de sortie la plus stable possible.
Le réseau 1k/1M détermine l’hystérésis et, par le fait même, le ronflement de sortie. Le réseau Rf/Rin +1, détermine la valeur de sortie en fonction de la tension moyenne à la broche 5 du 723. La résistance de 51R détermine le courant maximum (0.65V/51 » 12 mA). Évidemment, il s’agit ici du courant maximum du 723. Le courant de sortie est multiplié par les bêtas de Q1-2.

Donnée :



Question: 
a) Déterminez le maximum d’information à propos du circuit de la Figure 2-9.

________________________________________________________________________________

solution : 







S’il s’agissait d’un régulateur en linéaire, l’élément de régulation serait en conduction de façon continue.




Puisqu’il s’agit d’un régulateur à découpage, l’élément de régulation ne travaille que 40% du temps, donc une puissance dissipée de :








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juin 01, 2017

Alimentation à découpage série à fréquence fixe :

Dans cette application, la fréquence est maintenue fixe par un circuit de comparateur à hystérésis utilisant un LM339. La fréquence et le taux d’utilisation à la broche 11 du 339 sont stables et ne varient pratiquement pas sauf par les influences normales de la température et autres éléments externes. Ici, au contraire de la figure précédente, un échantillon de la sortie est pris via le réseau de résistances 6k8, 20k et 15k. Cet échantillon, lorsque comparé à la forme d’onde de la broche 11, permet de régulariser la tension de sortie en variant le taux d’utilisation à la broche 13 du comparateur.
Dans ce circuit, le TIP32 agit comme élément de régulation (commutation).

Donnée :



Question: 

a) PSB et PIB de l’oscillateur.
b) fréquence de l’oscillateur, taux d’utilisation si Uo = 5V et Ei = +20V.

_________________________________________________________________________________

Solution:

La tension de déclenchement basse (PIB) est déterminée lorsque la sortie à collecteur ouvert du LM339 est en conduction. Nous pouvons donc présumer que la résistance de 470k est pratiquement à 0V donc à point commun. Pour cette raison, le calcul suivant détermine le PIB.



La tension de déclenchement haute (PSB) est déterminée lorsque la sortie à collecteur ouvert du LM339 est bloquée. La résistance de 470k est maintenant en série avec la 2k permettant de calculer le PSB.




Le rapport des résistances de sortie permet d’évaluer la tension de ronflement présente à la sortie. La formule de l’amplificateur inverseur peut s’appliquer ici :



Dans ce type de régulateur, la fréquence est fixée par l’oscillateur à 339.



Puisque la fréquence est fixe, seul le taux d’utilisation peut permettre à la sortie de varier. La position du potentiomètre de 20k déterminera la tension de sortie par le changement de l’échantillon de retour. Ici, puisque la sortie doit être de +5V et que l’entrée est de +20V, le taux d’utilisation doit nécessairement être de :





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juin 01, 2017

Alimentation à découpage série non-régulée :

Voici un exemple d’un régulateur à découpage série non-régulée. On le nomme ainsi puisque aucun échantillon de la sortie n’est pris en considération afin d’exécuter une contre-réaction permettant ainsi de réguler la sortie. Il s’agit donc ici d’une fréquence et d’un taux d’utilisation fixe influant directement sur la tension de sortie.

Donnée : IO = 100mA DIL = 10% DUO = DUC = 50mV





Questions :
A- Taux d’utilisation
B- ton, toff , T, f.
C- C

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Solution :
Puisque la tension de sortie doit se situer au quart de la tension d’entrée; le circuit de commutation doit produire un taux d’utilisation de 25%.

D = Uo/Ei =5V/20V    --------->  D = 0.25

Le temps de conduction se calcule à partir de la formule de base de la bobine. Puisque la différence de potentiel est de Ei-Uo (i.e. 15V) et que le courant désiré est de 10mA le temps de conduction est donc:


Le calcul du temps de blocage est idem à celui du temps de conduction. Seule la tension aux bornes de la bobine change de valeur. (voir Figure 2-3):


La période est évidement l’addition du temps de conduction et du temps de blocage:



La période étant de 1.33 ms, la fréquence est donc de:
 

La valeur du condensateur se calcule:









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juin 01, 2017

Circuit de base d’une alimentation à découpage série :

Avant d’entreprendre l’analyse d’un circuit complet de régulateur en commutation série, regardons ensemble les deux figures qui suivent. La Figure 2-2 représente le schéma de principe à l’état de conduction. Celle de la Figure 2-3 indique le fonctionnement lorsque l’interrupteur est au repos.




Lorsque l’interrupteur est en position de conduire, la tension d’entrée fournit un courant de charge pour la bobine (L). Ce même courant alimente la charge et le condensateur. Le réseau RLC fait en sorte que la tension de sortie augmente légèrement pendant le temps de conduction. Pendant le demi-cycle de conduction, la diode de commutation (D) est bloquée et aucun courant circule dans cette dernière. 
La tension aux bornes de la bobine est donc la différence entre la tension d’entrée et celle de sortie. Cette différence étant presque constante, il est possible d’utiliser l’expression de l’équation 2.1 afin de déterminer les éléments de calculs d’un tel régulateur.



Lorsque l’interrupteur est en mode de blocage, la bobine n’est plus alimentée par la source. Le champ magnétique, créé par le passage du courant en mode de conduction, permet à la bobine de continuer à fournir le courant de sortie. La loi de Lenz s’applique ici puisque la bobine change ses polarités et devient maintenant générateur de courant. Évidemment, cet effet n’est que temporaire et le courant diminue graduellement, mais de façon linéaire puisque la tension à ses bornes est pratiquement constante. Cette diminution de courant fait en sorte qu’il faut retourner rapidement en mode de conduction pour recharger celle-ci.


Équations du régulateur à découpage série :

Ci-dessous, sont représentées les principales équations du régulateur en commutation série. Toutes ces équations sont dérivées de l’équation de 2.1. Il est important de noter que le taux d’utilisation influence directement la tension de sortie.



Formes d’onde du régulateur à découpage série :

Les formes de la Figure 2-4 indique à quel moment l’interrupteur est en conduction (ton) et à quel instant ce dernier est au repos (toff). De plus, la forme d’onde du bas représente le courant circulant dans la bobine.
Lors du temps de conduction, la bobine se charge à travers l’élément de commutation et la sortie. Lors du temps d’arrêt, la bobine se décharge à travers la charge et la diode de roulement. Cette dernière doit supporter le courant de la charge en plus de commuter à une fréquence élevée. Les composants entourant un circuit de régulation à découpage sont calculés en fonction de la fréquence d’utilisation, de l’ondulation acceptable et du courant circulant dans la sortie. Il ne faut pas oublier que les régulateurs à découpage série sont là pour alimenter des charges élevées. Un tel circuit, lorsqu’il est bien conçu, peut supporter des courants dans les kiloampères.








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juin 01, 2017
Rappel des caractéristiques d’une bobine :
Que ces quelques lignes soient un rappel ou non, les seuls éléments qu’il faut savoir sur le fonctionnement d’une bobine dans une alimentation à découpage sont les suivants.
Aucun changement, qu’il soit lent ou brusque. telle l’ouverture ou la fermeture d’un interrupteur, ne peut faire varier instantanément le courant d’une bobine. Le courant changera en fonction du temps selon la fonction suivante:



Une bobine peut saturer, c’est-à-dire qu’une augmentation de courant ne fait plus croître le champ magnétique et ainsi les caractéristiques du circuit peuvent ne pas être respectées.


Symbole D'une Bobine


Principe de fonctionnement d’une alimentation à découpage :

     Il existe deux modes de fonctionnement pour les alimentations à découpage; le régulateur série ou abaisseur de tension et le régulateur parallèle (shunt) ou élévateur de tension. Le terme série ou parallèle est fonction de l’emplacement de l’interrupteur commutable. Si ce dernier est placé en série avec la charge, il s’agit d’un régulateur série et il en est de même pour le régulateur parallèle, i.e. que l’interrupteur est placé en parallèle avec la charge.
Il faut utiliser ces alimentations dans des applications n’étant pas sensibles aux bruits électromagnétiques puisque la base de toutes les alimentations à découpage est l’utilisation d’une bobine à une fréquence d’oscillation dans les 25 kHz. Ce mélange cause généralement beaucoup d’interférence surtout si la qualité du montage laisse à désirer.
Par contre, l’avantage marqué de ce type de circuit provient du fait que, pour les mêmes éléments de régulation, généralement des transistors, les puissances de sorties sont de beaucoup supérieurs aux alimentations en linéaire. Ceci signifie, entre autres, que ces alimentations sont plus compactes que leur contrepartie et cela permet de les introduire dans des équipements tels des ordinateurs portatifs.


Le concept des alimentations à découpage est relativement simple à comprendre. En linéaire, l’élément de régulation est toujours en fonction; tandis qu’en commutation le transistor qui contrôle la puissance de sortie est à toute fin pratique au repos au moins la moitié du temps. Tout ce beau principe ne pourrait être valide, sans la complicité de la bobine. Ce composant agit en presque source de courant lorsque le transistor de commutation est au repos. C’est donc la bobine qui fournit le courant à la sortie pendant cet intervalle. Évidemment, l’accumulation de charge sous forme de champ magnétique n’est que temporaire; il faut donc recharger régulièrement la bobine, d’où la demande de commutation. Un demi-cycle permet la charge; tandis que l’autre demi-cycle permet le repos de l’élément de régulation pendant que la bobine se décharge lentement à la sortie. 
Dans le cadre de ce cours, nous nous limiterons à comprendre le principe de fonctionnement et à calculer quelques valeurs entourant les alimentations à découpage. Loin de notre pensée de concevoir ce type de circuit d’un bout à l’autre. Pour de plus amples informations, il faut contacter les revendeurs de ce type d’alimentation ou encore consulter les fiches techniques de circuits spécialisés tels le LM723 et le TL494. Nous aborderons ces circuits à la fin de ce module par l’analyse d’une application concrète.

Tableau comparatif des alimentations à découpage versus les alimentations en linéaires :














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Lemoine Guillaume

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