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Synoptique et principe de l’alimentation à découpage
mardi 28 août 2007, par gerla
Conditions d’une bonne alimentation, synoptique et brève description, schéma de principe simplifié d’une alimentation à découpage.

Dans tous les domaines, la gestion de l’énergie est devenue une préoccupation de tous les instants. Il en est bien évidemment de même dans les systèmes électroniques. La recherche d’un rendement élevé et la qualité des tensions d’alimentation (stabilité, absence de perturbations, ...) sont des critères essentiels.

Retour sur les principaux critères d’une bonne alimentation

Les circuits électroniques numériques (microprocesseur, microcontrôleur, mémoire, convertisseur analogique/numérique, convertisseur numérique/analogique, circuit scaler, ...) et les circuits électroniques analogiques (amplificateur audio, amplificateur vidéo, démodulateur, oscillateur, préamplificateurs, ...) ne peuvent fonctionner correctement que si les tensions d’alimentation sont parfaitement constantes. Il faut pouvoir supprimer l’ondulation résiduelle et le bruit. L’ondulation résiduelle (figure 1) est mesurable aux bornes du condensateur C (de forte capacité, souvent quelques centaines de microfarads µF) câblé en sortie du circuit de redressement (pont de diodes D1 à D4 dans l’exemple). A cette ondulation résiduelle peut se superposer le bruit (petites variations de hautes fréquences dues aux perturbations de voisinage) véhiculé par les lignes d’alimentation.

Figure 1 : Ondulation et bruit sur une ligne d’alimentation

Il est également nécessaire de supprimer les fluctuations de la composante continue (tension continue) correspondant aux variations de consommation (sur la ligne u1) et aux variations de la tension d’entrée u0 de la source d’énergie. Le rendement de l’alimentation doit être élevé. Le rendement « éta » (figure 2) mesure le rapport entre la puissance P2 disponible en sortie de l’alimentation et la puissance P1 consommée en entrée de celle-ci. Le rendement est d’autant meilleur qu’il se rapproche de 100%. Les alimentations à découpage peuvent avoir un rendement supérieur à 80%. L’énergie perdue dans les circuits de l’alimentation produit un échauffement (d’où la possibilité d’utiliser un ventilateur pour réduire la température moyenne des composants, voir alimentation de PC par exemple).

Figure 2 : Rendement d’une alimentation

Principe général de l’alimentation à découpage

Partant d’une tension continue u1 (en sortie de la source primaire de la figure 3, cette tension u1 comporte des défauts identiques à ceux mis en évidence sur la figure 1), on cherche à obtenir une tension continue régulée (source secondaire) parfaitement stable et exempte des défauts énoncés (absence de fluctuation, d’ondulation et de bruit). Afin d’obtenir un rendement élevé, la quantité d’énergie transférée (transfert primaire, figure 3) est découpée de façon à répondre exactement aux besoins de l’utilisation. La quantité d’énergie en cours de transfert doit être maintenue (accumulation dans un circuit magnétique) pour ensuite être acheminée (transfert secondaire) vers la source secondaire. Les fonctions de commande de découpage et de régulation déterminent et ajustent la quantité d’énergie en cours de transfert.

Figure 3 : Schéma synoptique d’une alimentation à découpage

(JPG)
Synoptique Alimentation à découpage

Exemple de schéma d’alimentation à découpage

Soit à considérer le schéma de principe simplifié (figure 4) d’une alimentation à découpage de type fly-back (fonctionnement alterné). Ce type d’alimentation est mis en œuvre dans les matériels audiovisuels et électroniques quand la puissance nécessaire reste inférieure à 500W. Afin de comprendre l’agencement des circuits, on identifie les différentes parties correspondant au schéma synoptique.

Figure 4 : Schéma de principe partiel d’une alimentation à découpage de type fly-back.

Principe alimentation à découpage (JPG)

Partant du réseau électrique (230V ; 50Hz) et du circuit secteur, la tension secteur est redressée par le pont P de diodes puis filtrée par le condensateur C1 de forte capacité (gros condensateur, facilement repérable sur un châssis). La tension ainsi obtenue (en sortie de la source primaire) présente une composante continue de l’ordre de : 230 x 1,4 soit environ 310V, si on veut prendre en compte les pertes dans les circuits (1,4 correspond à la racine de 2).

Cette tension est appliquée à l’enroulement primaire Lp du transformateur d’alimentation Tr. L’autre borne de l’enroulement primaire est connectée au transistor Q (découpeur, il fonctionne en bloqué/saturé et permet le transfert primaire des paquets d’énergie dans le circuit de maintien constitué par les composants associés R, D, C, le primaire Lp et le noyau magnétique du transformateur). Le transfert des paquets d’énergie vers les circuits secondaires est réalisé par les diodes DS1, DS2 et D3 quand le transistor de découpage Q est bloqué (fonctionnement alterné ou fly-back lié au sens de câblage des enroulements secondaires du transformateur). Les énergies transférées sur les condensateurs CS1, CS2 et C3 (sources secondaires) déterminent les tensions VS1, VS2 et VSP.

Dans l’exemple (figure 4), une tension proportionnelle à VS2 est récupérée afin de constituer une grandeur de mesure qui est ensuite ramenée et comparée à une référence de tension (Ref) de façon à réaliser une commande de régulation. Cette commande de régulation est ensuite appliquée à la fonction PWM de façon à ajuster les paquets d’énergie transmis.

Remarques

L’étude ainsi conduite ne rend pas compte de la procédure de démarrage ni des éléments auxiliaires nécessaires au fonctionnement de l’alimentation à découpage (alimentations de service, oscillateur, ...) ou à sa mise en sécurité en cas de dépassement des valeurs nominales de fonctionnement. Il est également nécessaire d’avoir une bonne maîtrise de ces connaissances pour analyser les dysfonctionnements et pannes.

La notion de masse primaire (repère MP sur le schéma, non isolée du réseau électrique) et masse secondaire (repère MS sur le schéma) est également très importante. Il y va de la sécurité de l’utilisateur et de ses biens ainsi que de la sécurité du technicien lors d’une intervention sur une alimentation ! Il est dangereux d’intervenir sur ce matériel quand on ne maîtrise pas correctement ces notions.

Compléments d’information et analyse de fonctionnement

Sur le site SEN-AV  : http://www.sen-av.net/article.php3 ?id_article=4 , article présentant les phases de découpage (dont les transferts d’énergie) et les contraintes de fonctionnement des transistors de puissance FET et NPN en commutation (voir les diaporamas).

Les publications  : Cours de télévision (3ème édition), Gérard Laurent, Dunod. Un chapitre important est entièrement consacré à l’étude des alimentations à découpage, des convertisseurs DC/DC, AC/DC, des circuits PFC et systèmes associés.

Après l’étude des fonctionnalités du circuit secteur et de l’agencement du groupe énergie/environnement, il est abordé le problème de l’énergie mise en jeu dans les composants R, L et C, le stockage et la restitution de cette énergie , l’étude des rampes de tension et de courant. Les alimentations à découpage avec transformateur sont « décortiquées » (cycle de découpage, commande, démarrage, alimentation synchrone, auto-oscillante) et des exemples sont données (fly-back à MC44603, à TDA4605, à STR-S57xy ou STR-S67xy, à TEA2260, SOPS). Enfin, on étudie l’alimentation résonante à circuit primaire LC, les convertisseurs DC/DC et DC/AC, le circuit secteur et la correction du facteur de puissance PFC (passif et actif) et, pour terminer, les lignes d’état, power down, power on reset (POR à composants discrets et intégrés). Pour envoyer un message à l’auteur : GerLa

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