2203buckboostdimentionnement.pdf

LES ALIMENTATIONS ELECTRIQUES

Philippe LETENNEUR STS Granville 2003-2004 page 1

SOMMAIRE I) Gnralits...................................................................................................... 3 II) Les alimentations linaires. ........................................................................... 5

II.1) Schma fonctionnel. ................................................................................ 5 II.2) Etude de FS1 : Transformation ou abaissement. ..................................... 5 II.3) Etude de FS2 : Redressement.................................................................. 8

II.3.1) Redressement : Mono alternance. ........................................................ 8 II.3.2) Redressement double alternance : Pont de diodes ou GRAETZ :............ 8 II.3.3) Montage transformateur point milieu : .............................................. 9 II.3.3) Caractristique dune diode. ................................................................10 II.3.4) Rsum des diffrents types de redressements: ...................................11

II.4) Etude de FS3 : Filtrage............................................................................12

II.4.1) Calcul du condensateur de filtrage .......................................................13 II.5) Etude de la fonction stabilisation ou rgulation......................................14

II.5.1) Diffrence entre stabilisation et rgulation. ...........................................14 II.5.2) Stabilisation par diode zener................................................................15

II.5.2.1) Caractristique. ............................................................................15 II.5.2.2) Diode zener seule. ........................................................................15 II.5.2.3) Stabilisation par diode zener et transistor ballast.............................16

II.5.3) Rgulation par circuit intgr. ..............................................................17 II.5.3.1) Principe........................................................................................17 II.5.3.2) Tableau des principaux rgulateurs 78XX. .....................................18 II.5.3.3) Principaux Botiers et brochages....................................................19 II.5.3.4) Montages de base. .......................................................................20 II.5.3.5) Calcul des composants. ................................................................21 II.5.3.6) Protection des rgulateurs.............................................................21 II.5.3.7) Rgulateurs ajustables : LM117 ou LM317. ....................................21

II.6) Dissipation thermique. ...............................................................................22

II.6.1) Modle thermique sans dissipateur : ...................................................22 II.6.2) Calculs effectuer pour savoir si lon doit implanter un dissipateur : .23 II.6.3) Modle thermique avec dissipateur : ...................................................24 II.6.4) Calcul dun dissipateur: .......................................................................25

II.7) Protection des alimentations lectriques. ..................................................26 II.8) Dimensionner une alimentation stabilise ou rgule................................27



III) Les alimentations dcoupage....................................................................28 III.1) Classification des alimentations dcoupage. ......................................28 III.1) Les alimentations non isoles de la source. ..........................................29

III.1.1) Convertisseur abaisseur BUCK .....................................................29 III.1.1.1) Principe de fonctionnement : ........................................................29 III.1.1.2) Calcul de la fonction de transfert...................................................30 III.1.1.3) Etude des signaux .......................................................................31 III.1.1.4) Choix des composants. ................................................................32 III.1.1.5) Performances. .............................................................................34

III.1.2) Convertisseur lvateur BOOST . ..................................................29

III.1.2.1) Principe de fonctionnement : ........................................................35 III.1.2.2) Calcul de la fonction de transfert...................................................36 III.1.2.3) Etude des signaux .......................................................................37 III.1.2.4) Choix des composants. ................................................................38 III.1.2.5) Performances. .............................................................................38

III.1.3) Convertisseur inverseur BUCK-BOOST .........................................29 III.1.3.1) Principe de fonctionnement : ........................................................39 III.1.3.2) Calcul de la fonction de transfert...................................................40 III.1.3.3) Etude des signaux .......................................................................41 III.1.3.4) Choix des composants. ................................................................42 III.1.3.5) Performances. .............................................................................42



I) Gnralits.

AlimentationEntre

(rseau EDF 220V ~)Sortie

tension ou courant =

La fonction des alimentations est de fournir un objet technique l'nergie lectri-

que ncessaire son fonctionnement. Dans la plupart des cas, la fonction alimentation transforme les caractristiques

de l'nergie livre par le rseau EDF pour les adapter aux conditions de l'alimenta-tion d'un objet technique (le fonctionnement des circuits lectroniques d'un objet technique ncessite en gnral une alimentation sous Trs Basse Tension Cont i-nue).

Il existe aussi des convertisseurs de formes dondes :

t

t Transformateurs

tRedresseurs

t

tt

UeUs

Us < Ue

UsUe

Ue Pont diviseurStabilisateurRgulateur

tt

Us = - k * UeUe

Alimentation dcoupageou

transfert de charges

tt

Ue

Inverseur de polaritBuck boost

Surleveur de tensionBoost

Us = k * Uek > 1

Pour raliser ces convertisseurs on utilise deux types de structures : - Les alimentations linaires.

- Les alimentations dcoupage.



Tableau comparatif des deux structures.

Les alimentations linaires Les alimentations dcoupage

t

Transformateur Redresseur Filtrage

ttt

t t Us

t

StabilisationRgulation

Ue (EDF)

t

Redresseur Filtrage

tt

t t Us

t

Dcoupage &transformateur

t

Ue (EDF)

Avantages Inconvnients Avantages Inconvnients

- Trs bonne stabili-t.

- Facile mettre au point.

- Bonne tenue en temprature.

- Lourdes (Le poids) et encombrantes.

- Trs mauvais ren-dement.

- Energie perdue trs importante.

- Trs bon rendement.

- Poids et vo-lume rduits.

- Taille du transforma-teur faible.

- Gnrateur de bruit (harmoni-ques) CEM.

- Blindage souhaitable ou loign du montage.

- Ondulation rsiduelle importante.

Domaines dutilisation Domaines dutilisation - Audio. - Alimentation de laboratoire. - Mesure

- Ordinateur. - Tlvision. - .



II) Les alimentations linaires.

II.1) Schma fonctionnel.

FS1 FS2 FS3 FS4

Transformateur Redresseur Filtrage Stabilisation Rgulation

E SM

UsUcUsec

Upri

tttt

t

ENTREE : Upri : tension secteur sinusodale alternative 230 Veff, 50Hz

SORTIE : Us et Is : tension et courant CONTINUS.

Fonctions des structures associes :

Transformateur Redresseur Filtre Rgulateur

Diminue l'amplitude de la tension secteur.

Convertit une tension alterna-tive en une ten-sion unidirec-tionnelle

Stocke l'nergie de faon lisser la tension de sortie du re-dresseur.

Stabilise la tension et le courant de sortie de manire les ren-dre CONSTANTS (continus).

II.2) Etude de FS1 : Transformation ou abaissement. Le transformateur se caractrise par sa tension secondaire exprime en volts

efficaces (Veff) et sa puissance apparente S exprime en volts ampre (VA). La taille et le poids du transformateur dpendent de sa puissance.

La puissance en rgime sinusodal sexprime par : P = Veff Ieff cos f = S cos f

f est le dphasage entre U et I : il dpend de la nature de la charge (R, L, C). S est la puissance apparente en VA

Le transformateur assure une isolation galvanique et il est de type abaisseur de tension.

Rapport de transformation :

n1n2

21

U1U2

m ===II

n1 et n2 : nombres de spires au primaire et au secondaire.



Les diffrents modes de cblage du transformateur :

Enroulement secondaire unique Exemple : Transformateur 12V, 6VA.

UE VS1

I2 eff = ................

U2 eff = ................

I1 eff

Double enroulements secondaire Exemples de cblage pour un transformateur : 2x35V 75VA

Enroulements en srie : Les 2 enroulements secondaires sont runis en un point mi-lieu.

UE

I2 eff =

U2B eff =

U2A eff =

R

R

U2 max =

U2 A et U2B en opposition de phase

70V * 1.4142 = 99V

12V * 1.4142 = 17V

0.5 A



Enroulements en parallle :

UE

I2 eff =

U2A

U2B U2 max =

U2 A et U2B en phase

Critres de choix technologiques : On distingue les transformateurs tles et les transformateurs toriques qui ont un rayonnement moindre (Pertes entrefer rduites de 90%). Un transformateur dalimentation se choisit en fonction de sa ou ses tensions secondaires en Veff et de sa puissance apparente en volt ampre (VA) .

2.14A

35V * 1.4142 = 50 V



II.3) Etude de FS2 : Redressement. Le rle de FS2 est de rendre unidirectionnelle l'nergie dlivre par le trans-

formateur. Cette fonction est ralise par des diodes jonction.

II.3.1) Redressement : Mono alternance.

URD1

R

UD1

UEUR

UE

T/20 T 3T/2 t

D1passante

D1passante

D1bloque

Tension maximum : SeuilDMAXEMAXR UUU -=

Tension moyenne :

pMAXR

MOYR

UU =

Tension efficace :

2MAxR

effR

UU =

Frquence de UR : teurUr ff sec=

Vinv (D) MAXRU

II.3.2) Redressement double alternance : Pont de diodes ou GRAETZ :

UR

R

UD1UEUR

UE

T/20 T 3T/2 t

D1, D3passantes

D2D3

D1D4

D2, D4bloques

D2, D4passantes

D1, D3bloques

D1, D3passantes

D2, D4bloques

Tension maximum : SeuilDMAXEMAXR UUU *2-=

Tension moyenne : U

UR MOY

R MAX=

2

p

Tension efficace : U

UR eff

R MAx=2

Frquence de UR : teurUr ff sec*2=

Vinv (D) MAXRU



II.3.3) Montage transformateur point milieu :

URD1

R

UD1

UE VS1

VS2

D1T/20 T 3T/2

D1passante

D2bloque

D2passante

D1bloque

D1passante

D2bloque

T/20 T 3T/2

VS2

VS1

UR

t

t

Tension Max

SeuilDMAXeMAXR UUU -= Tension Efficace

2MAXR

effR

UU =

Tension Moyenne

pMAXR

MoyR

UU

*=

2

Courant Max

R

UI MAXRMAX =

Courant Moyen dans D

pMAX

MoyD

II =

Courant Moyen dans R

pMAX

MoyR

II

*=

2

Vinv (D) MAXRU*2



II.3.3) Caractristique dune diode.

IF(A)

VF(A)

IR(A)

VFIR

Io

VRRM

If

IFRM

IFSM

Io : courant moyen direct If : courant continu direct. IFRM : Courant direct de pointe rptitif. IFSM : Courant de pointe non rptitif. IR : Intensit inverse. VF : Tension directe continue, tension de seuil. VRRM : tension inverse de pointe rptitive

Critres de choix technologiques : Deux critres : La tension maximale aux bornes dune diode du redresseur doit tre infrieure VRRM de la diode choisie. Le courant maximum dans le redresseur doit tre infrieur au courant IFRM.



II.3.4) Rsum des diffrents types de redressements:

Simple alternance Double alternance pont de Gratz

Double alternance avec transfo. point milieu

Double enroulement et pont (Alim symtrique)



II.4) Etude de FS3 : Filtrage. Le but de FS3 est de rendre l'allure de la tension mono ou double alternance

issue du redressement en une tension aussi continue que possible. Cette fonction est matrialise par un condensateur, sa valeur est souvent leve : plusieurs F.

UC(t)

T'0

UCmax

UCmin

2*T'

DUC

Aprs filtrage, la tension aux bornes du condensateur varie entre une valeur

maximale UCMAX et une valeur minimale UCMIN. UCMAX = Tension max de sortie du redresseur. UCMin = Tension minimum ncessaire au fonctionnement de FS4 (Stabilisation

ou rgulation).

Sa valeur moyenne peut tre considre comme gale : 2

MINMAXMoy

UCUCUC

-=

L'ondulation autour de cette valeur moyenne est: MINMAX UCUCUC -=D



II.4.1) Calcul du condensateur de filtrage T : cest la priode du signal non redress. T : cest la priode du signal redress

- 2

'T

T = pour un redressement double alternance.

UC(t)

T'

UCmax

UCmin

2*T'

DUCmax

DT

- TT =' pour un redressement mono alternance.

UC(t)

T/20

UCmax

UCmin

T

DUCmax

DT

Dans les deux cas le condensateur se dcharge pendant le temps TD , de plus la tension ses bornes est gale UCD . Comme UCTIQ ** == => UCTIQ D=D= **

Donc max

*

UC

TIC

DD

=

Avec TD = 80 % de T pour un redressement mono alternance. Avec TD = 40 % de T pour un redressement double alternance. I = Le courant maximum de lalimentation. La condensateur de filtrage est un condensateur chimique (valeur suprieure

plusieurs F), sa tension de service est gale 1.5 * UCMAX



II.5) Etude de la fonction stabilisation ou rgulation. La fonction dune alimentation est de fournir une tension stable quelque soit la valeur du courant de sortie (Imin < Is



II.5.2) Stabilisation par diode zener.

II.5.2.1) Caractristique.

Cette diode fonctionne comme une diode classique, avec comme seule diff-rence sa tension inverse. En effet celle-ci est appele la tension de zener Vz.

I (A)

VF

VzI z min

I z max

V (V)

II.5.2.2) Diode zener seule.

VE

VSVzI z

I e

I sR

Dz

Choix des composants :

minmax

min

ZS

zE

IiVV

R+

-

Pour choisir une diode zener il faut cal-culer la puissance dissipe par celle-ci :

RVV

VP zEZZ-

= min

Et la puissance dissipe par la rsis-tance.

RVV

P zER2

max )( -=

Remarque : Dans le cas o is est petit, par exemple pour une source de tension de rfrence, le calcul de R peut tre ramen :

min

min

Z

zE

IVV

R-



II.5.2.3) Stabilisation par diode zener et transistor ballast.

Dans ce montage la diode zener sert stabiliser la tension de sortie, cest le transistor appel BALLAST qui dlivre toute la puissance au montage.

BEZS VVV -=

VE

VS

VzI z

I r

I s

R

Dz

I b

Transistor(BALLAST)

I e I c

Choix des composants :

minmax

min

Zb

zE

IiVV

R+

-

1minmax

max +=

bs

b

ii

La puissance dissipe par R :

RVV

P zER2

max )( -=

La puissance dissipe par Dz :

RVV

VP zEZZ-

= max

Et la puissance dissipe par le transistor BALLAST :

maxmax *)( ssET iVVP -=



II.5.3) Rgulation par circuit intgr. La fonction d'un rgulateur de tension est de convertir une tension ayant une

certaine ondulation en une tension particulirement stable. Il doit maintenir ces conditions de stabilit dans une large gamme de variations du courant de charge, et galement pour les fluctuations de la tension d'entre.

II.5.3.1) Principe.

Si la tension Vs diminue alors Vretour diminue donc e augmente et Vs aug-mente.

Et rciproquement si la tension Vs augmente alors Vretour augmente donc e diminue et Vs diminue.

VEV

R1

V retour

TI e

rfrencede

tension

V ref

I s

R2

0V

S

Il existe normment de circuits intgrs pour rguler des tensions positives et

ngatives. Les plus connus sont certainement les rgulateurs 3 broches de la famille 78XX et 79XX.

S

E S

M VEV

78XX

E S

M

79XX

EV SV



II.5.3.2) Tableau des principaux rgulateurs 78XX.



II.5.3.3) Principaux Botiers et brochages.



II.5.3.4) Montages de base.

Ce montage est fort simple, les condensateurs C1 et C2 sont prconiss par

les constructeurs. C1 est ncessaire si le rgulateur est plac plus de 10 cm du condensateur de filtrage et C2 amliore le temps de rponse du rgulateur.

Augmentation de la tension de sortie.

Vs= Vsr + 3 x Vd

Vsr = Tension du rgulateur Vs = Vsr + Vz

Vsr = Tension du rgulateur Modification de la tension de sortie.

Vs = Vsr + R1 * (i +iQ) Vsr = Tension du rgulateur

On choisit i >> iQ

Dans ces conditions

)1(*2

1

RR

VsrVS +



II.5.3.5) Calcul des composants.

C1 et C2 sont donns par le constructeur du rgulateur. Le choix de Ve se fait en fonction de Vs et de Vdrop, cette dernire est donne par le constructeur, en gnral Vdrop minimum 3V.

VVsVdropVsVE 3min ++= VsVVdrop E -= minmin La puissance dissipe par le rgulateur:

max*)( ssmoyCT iVUP -

II.5.3.6) Protection des rgulateurs.

D1: protge le rgulateur contre une sur tension en sortie, effet selfique. D2: protge le rgulateur contre les inver-sions de polarit.

II.5.3.7) Rgulateurs ajustables : LM117 ou LM317.

VVavecRR

VV REFREFS 25.1)1(* donc I I2

11ADJ =+



II.6) Dissipation thermique.

La dissipation de puissance dans un SEMICONDUCTEUR est limite par la temprature de la JONCTION. En gnral TJmax en fonctionnement = 150C. Dans les alimentations, on doit vrifier par le calcul si on doit implanter un dissipateur sur un rgulateur ou sur un transistor ballast. Il faut considrer le composant seul sans radiateur, et lui associer un modle thermique.

II.6.1) Modle thermique sans dissipateur :

BotierJonction

Air ambiant

RTH J-A

Modle thermique sans radiateur :

P DIS

RTH J-AT J T A

La rsistance thermique

RTH J-A dun composant lectrique est quivalente une rsistance lectrique classique, sauf que son unit sexprime en C/W.

La puissance dissipe PDIS par

un composant est quivalent un courant lectrique, sauf que lunit sexprime en watt.

La diffrence de tempratures

Tj-Ta est quivalente une diff-rence de potentiels.

Le constructeur donne souvent pour un composant les valeurs suivantes :

TJ : Temprature de jonction ne pas dpasser, en gnral 150C.

TA : Temprature ambiante de fonctionnement, en gnral 25C on peut garder une marge de scurit en prenant 20 C de plus.

RTH J-A : Rsistance thermique Jonction Ambiant ne pas dpasser, donne par le constructeur.



II.6.2) Calculs effectuer pour savoir si lon doit implanter un dissipa-teur :

1) Il faut calculer la puissance que le composant doit dissiper PDIS :

1.1) Si le composant est un transistor ballast.

CCEDIS iVP *=

1.2) Si le composant est un rgulateur de tension type 78XX.

max*)( ssmoyCDIS iUUP -

2) Calculer la temprature de jonction T J du composant.

AAJDISJ TurconstructelepardonneRTHPcomposantduT += - )(*

Si Tj du composant > Tj max alors il faut un dissipateur.



II.6.3) Modle thermique avec dissipateur :

RTHJ-ARTH R-A

RTHB-RRTH J-B

P DIS

RTH J-BT J T B T AT RRTH B-R RTH R-A

Loi dohm thermique :

)(* ARRBBJDISAJ RTHRTHRTHPTT --- ++=-

RTH J-B ou RTH j-c : Rsistance thermique Jonction Botier. RTH B-R ou RTH c-d : Rsistance thermique Botier Radiateur. Cest la rsistance de contact entre le composant et le radiateur, elle peut-tre amliore par lemploi de graisse thermique. RTH R-A ou RTH d-a: Rsistance thermique Radiateur Ambiant, cest la rsistance du radiateur. Elle dpend des dimensions du radiateur.



II.6.4) Calcul dun dissipateur:

Tjmax : Temprature max de jonction, donne par le constructeur.

TA : Temprature max ambiante, en gnral 25C, on peut prendre une marge de scurit de 20C.

PDIS : Puissance dissiper par le composant :

Pour un transistor ballast : maxmax *)( ssEDIS iVVP -=

Pour un rgulateur : max*)( ssmoyCDIS iUUP -

AAJDISJ TurconstructelepardonneRTHPcalculeT += - )(*

Si Tj calcule > Tj max alors il faut un dissipateur.

Calcul de la rsistance thermique ne pas dpasser.

)(max max RBBJDIS

AJAR RTHRTHP

TTRTH --- +-

-



II.7) Protection des alimentations lectriques. La protection des alimentations lectriques est souvent ralise au primaire du transformateur. On utilise un fusible pour les protger contre les sur intensits et une varis-tance contre les sur tensions.

EDF220V

fusible

varistance

transformateur

Choix des composants

1) La varistance.

Sa valeur est fonction de la tension du secteur.

2) Le fusible.

Le type fusible doit tre temporis T ou encore trs temporis T T pour quil puisse supporter la pointe dintensit due la mise sous tension de lalimentation (Condensateurs dchargs).

Sa valeur nominale In est gale : 1U1I2 * U2

InUS

==



II.8) Dimensionner une alimentation stabilise ou rgule.

Remarque: Pour dimensionner ou calculer les lments constituants une alimen-tation, la mthode la plus souvent utilise est d'effectuer le choix des composants en commenant par la sortie pour remonter vers l'entre.

FS1 FS2 FS3 FS4

Transformateur Redresseur Filtrage Stabilisation Rgulation

E SM

UsUc

Usec

Upri

tttt

t

Hypothses : On donne en gnrale la puissance de sortie Ps ainsi que Us et Is

DBUT

Choix du rgulateur ou du stabilisateurChoisir les lments associs au stabilisateur ou au rgulateur (FS4).

- Type de rgulateur.- Type de stabilisateur (transistor BALLAST).

Dterminer la tension minimum Uc min l'entre de FS4.Uc min=Us+Vdrop (Vdrop tension ncessaire

au bon fonctionnement du rgulateur).

Calcul du condensateur de filtrageCalculer Cmin en tenant compte de DUC.

Cmin = ( DT / DUC ) * IsC nominal = 1,5 * Cmin

U nominale = 1,5 * Uc min.

Choix des diodes.IF = IS , VF

U inverse max < VRRM

Calcul et choix du transformateur.Uc max = Uc min + DUc

U sec max = Uc max - U chuteU chute= VF ou 2.VF (Pont de diodes).

U sec efficace = Usec max / 2

I sec max = (Is *p) / 2I sec efficace = I sec max / 2

d'o la puissance S (V.A) = U sec efficace * I sec efficace.

Calcul du fusible de protection (au primaire).I prim = I sec * (U sec / U prim)

Le fusible doit tre du type T ou TT, c'est dire temporis.

Calcul de l'nergie perdue et /ou calcul du dissipateurUc moy = Uc min + (DUC/2)

P dis = (Uc moy - Us) * Is pour un rgulateur.P dis= VCE * Ic pour un transistor BALLAST.

Tj calcule = P dis * (RTH ja donne par le constructeur) + Ta

si Tj calcule > Tj max il faut un dissipateur

la rsistance thermique du dissipateur RTH ra



III) Les alimentations dcoupage.

III.1) Classification des alimentations dcoupage.

Non isoles de la source Isoles de la source Convertisseur abaisseur BUCK

Horloge

T L

UeUs

RD C

1V V es = aveca

Convertisseur inverseur BUCK BOOST

Horloge

T

L

UeUs

R

D

C

0VV - 1

- V ses 20 Khz.

Schma typique dune alimentation.

HorlogeT

Tr

Ue230V~

Us

R

D

C

C

Remarque : On redresse directement le secteur, par consquent le pont diodes et le condensateur de filtrage devront tre correctement dimensionns pour suppor-ter le secteur.



III.1) Les alimentations non isoles de la source (avec une bobine). Elles permettent dabaisser, lever et inverser une tension continue avec de

trs faibles pertes. Par consquent ils ont un trs bon rendement, peu dnergie dissiper par le transistor.

III.1.1) Convertisseur abaisseur BUCK .

Horloge

T

LUe

Us

RD C

Ie IT

IDIL IC

UL

UD

IS

1V V es



Remarques importantes : Pour comprendre le fonctionnement des convertis-seurs dcoupage, deux conditions sont fondamentales :

1) La valeur moyenne de la tension aux bornes dune bobine est nulle.

2) La tension de sortie est continue.

Phase N1 (0 a T) Phase N2 ( a T T) Explications : Le transistor est passant et la diode D est bloque.

Schma quivalent :

LUs

RC

IL IC

ULIS

Ue +-

SESEL UUU U U >-= avec

Explications : Le transistor est bloqu et cest la bobine qui fournit lnergie au montage, la diode D est passante.

Schma quivalent :

LUs

RC

IL IC

ULIS

+-

SL U U -=

III.1.1.2) Calcul de la fonction de transfert : )( U ES Uf=

UL(t)

a T0 T

VE-VS

-VS

A1

A2

)(U A

)UU( A

S2

SE1

TT

T

a

a

--=

-=

La valeur moyenne de la tension aux bornes dune bobine est toujours nulle :

[ ]

0UUUU

0)1(U)UU(

01

)(1

U

SSSE

SSE

210

L

=+--=---

=+==><

aaaaa

AAT

dttUT

T

L

ES UU a=



III.1.1.3) Etude des signaux Phase N1 (0 a T) Phase N2 ( a T T)

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

minSE

SEL

UU)(

UU L

ItL

tI

dtdi

L +-

=

-=

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

maxS

SL

U)(

U L

ItL

tI

dtdi

L +-

=

-=

2) ID : Courant dans la diode

La diode est bloque : 0)( =tI D


La diode est passante : )()( tItI LD = 3) IT : Courant dans le transistor

Le transistor est passant : )()( tItI LT =

3) IT : Courant dans le transistor

Le transistor est bloqu 0)( =tIT

Chronogrammes

H(t)

a T

0

T

TH TB

t

UL(t)

a T0 T

VE-VS

t

-VS

A1

A2

IL(t)

a T0 T

IMAX

t

IMIN

IT(t)

a T0 T

IMAX

t

IMIN

a T0 T

IMAX

t

IMIN

ID(t)



III.1.1.4) Choix des composants. III.1.1.4.1) Choix de la bobine. Calcul : Le calcul de la valeur de la self passe par londulation crte crte du courant de celle-ci, soit LID .

FLV

ITL

VVIII ssEmM

)1(LL

aa

-=D

-=-=D

Soit FIV

L sL

)1(D-

=a

DIL Ondulation crte crte du courant dans la bobine. F : Frquence de travail du convertisseur. Critres technologiques : Les selfs utilises dans les alimentations dcoupage doivent en autre supporter les hautes frquences (jusqu 100KHz). Il faut toujours choisir les modles prconiss par les constructeurs.



III.1.1.4.2) Choix du condensateur. Calcul : Depuis le dbut de cet expos, jai considr que la tension SV tait continue, mais en ralit une petite variation )(tvS subsiste.

IL(t)

a T0 T

IMAX

t

IMIN

IS=

IC(t)

a T0 Tt

a T0 T t

VS(t)

IMAX

IMIN

IC= IL - IS

Airesgales

D VS

DQ

= dttiCtV CS )(1

)(

2L 8)1()1(

82221

FCLV

VdoncFL

VIet

CFI

VdoncT

QetCQ

V

sS

s

LS

ILS

aa -=D

-=D

D=D

D=D

D=D

Soit S

s

VFLV

CD

-= 28

)1( a

DVS Ondulation crte crte de la tension de sortie. Critres technologiques : Les condensateurs utiliss dans les alimentations dcoupage doivent avoir une faible rsistance srie (ESR Effective Serie Resistor). En effet londulation de la ten-sion de sortie est proportionnelle aux variations de courant du condensateur.



III.1.1.4.3) Choix de la diode et du transistor T. Le principal critre de choix de la diode doit tre la rapidit, en effet les convertis-seurs dcoupage fonctionnent des frquences de lordre de la dizaine de kilo-hertz. On choisit par consquent des diodes rapides comme les diodes schottky. Pour le transistor, il doit possder une faible rsistance et commuter rapidement, on utilise souvent des transistors MOS.

III.1.1.5) Performances. Rendement : Si on considre des composants parfaits (VSAT=0V et Vseuil=0V) le ren-dement est de 100%, c'est--dire que lon ne perd pas dnergie ! ! En ralit la diode a une tension de seuil VD et le transistor une tension VSAT ses bornes quand il conduit. On peut dans ces conditions calculer le rendement :

)()(

DSE

DsatES

VVVVVVV

++-

=h

Avec cette quation on obtient des rendements de lordre de 80% 90%, comparer aux rendements des alimentations classiques de lordre de 50%.

Courbe de transfert. VS

VE

a1

Ondulations de sorties.

Ondulation du courant dans linductance : FL

VI EL

aa )1( -=D

Ondulation de la tension de sortie (ESR = 0W): 28)1(FCL

VV ES

aa-=D



III.1.2) Convertisseur lvateur BOOST .

Horloge T

LUe

Us

R

D

C

Ie

IT

IDIL

IC

UL UDIS

+-

eses VVV - 11

V >= aveca

III.1.2.1) Principe de fonctionnement :

Le transistor T est command par une horloge H. Pendant le temps haut de lhorloge (PHASE N1 de 0 a T), le transistor T est command et la bobine L em-magasine de lnergie et le condensateur C restitue son nergie la charge. Pen-dant le temps bas de lhorloge (PHASE N2 de a T T), le transistor est bloqu et la bobine L restitue lnergie emmagasine, la diode est passante donc Us est sup-rieure Ue.

Phase N1 (0 a T) Phase N2 ( a T T) Explications : Le transistor est passant et la diode D est bloque. Le condensa-teur restitue son nergie.

Schma quivalent :

L Us

RC

IL IC

IS

Ue

UL

T+-

ESEL UU U U >= avec

Explications : Le transistor est bloqu et cest la bobine qui fournit lnergie au montage, la diode D est passante.

Schma quivalent :

L Us

RC

IL IC

ISUL

T

Dpassante

Ue +-

dtId

LUet LL =-= LES UU U

comme le courant IL diminue alors 0




UL(t)

a T0 T

VE

VE-VS

A1

A2

)()UU( AU A

SE2

E1

TTT

aa

--==


[ ]

0UUUUU

0)1()UU(U

01

)(1

U

SESEE

SEE

210

L

=+--+=--+

=+==><

aaaaa

AAT

dttUT

T

L

)1(U

U ES a-=

Courbe de transfert.

VS

VE

a

1

1

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





minE

EL

U)(

U L

ItL

tI

dtdi

L +=

=


maxES

SEL

UU)(

UU L

ItL

tI

dtdi

L +-

-=

-=








Chronogrammes

H(t)

a T

0

T

TH TB

t

UL(t)

a T0 T

VE

t

VE-VS

A1

A2

IL(t)

a T0 T

IMAX

t

IMIN

IT(t)

a T0 T

IMAX

t

IMIN

a T0 T

IMAX

t

IMIN

ID(t)



III.1.2.4) Choix des composants. III.1.2.4.1) La bobine.

FIV

L sL

)1(D-

=aa

F : Frquence de travail du convertisseur, DIL Ondulation crte crte du courant dans la bobine. Critres technologiques : Les selfs utilises dans les alimentations dcoupage doivent en autre supporter les hautes frquences (jusqu 100KHz). Il faut toujours choisir les modles prconiss par les constructeurs. III.1.2.4.2) Le condensateur.

S

S

VFI

CD

=a

DVS Ondulation crte crte de la tension de sortie. Critres technologiques : Les condensateurs utiliss dans les alimentations dcoupage doivent avoir une faible rsistance srie (ESR Effective Serie Resistor). III.1.2.4.3) Choix de la diode et du transistor T. Le principal critre de choix de la diode doit tre la rapidit, en effet les convertis-seurs dcoupage fonctionnent des frquences de lordre de la dizaine de kilo-hertz. On choisit par consquent des diodes rapides comme les diodes schottky. Pour le transistor, il doit possder une faible rsistance et commuter rapidement, on utilise souvent des transistors MOS.


)()(

satDSE

satES

VVVVVVV-+

-=h

Avec cette quation on obtient des rendements de lordre de 80% 90%, comparer aux rendements des alimentations classiques de lordre de 50%.

Ondulations de sorties.

Ondulation du courant dans linductance : FLV

I ELa

=D

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

IV SS

a=D



III.1.3) Convertisseur inverseur BUCK - BOOST .

Horloge

T

L

Ue

R

D

C

Ie IT ID

IL ICUL

UDIS

VS

0VV - 1

- V ses




UL(t)

a T0 T

VE

VS

A1

A2

)(U AU A

S2

E1

TTT

aa

-==


[ ]

0UUU

0)1(UU

01

)(1

U

SSE

SE

210

L

=-+=-+

=+==><

aaaa

AAT

dttUT

T

L

)1(U

U ES aa

--=

Courbe de transfert.

VS

VE

a0 1

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





minE

EL

U)(

U L

ItL

tI

dtdi

L +=

=


maxS

SL

U)(

U L

ItL

tI

dtdi

L +=

=








Chronogrammes

H(t)

a T

0

T

TH TB

t

UL(t)

a T0 T

VE

t

VS

A1

A2

IL(t)

a T0 T

IMAX

t

IMIN

IT(t)

a T0 T

IMAX

t

IMIN

a T0 T

IMAX

t

IMIN

ID(t)



III.1.3.4) Choix des composants. III.1.3.4.1) La bobine.

FIV

L SL

)1(D-

=a

F : Frquence de travail du convertisseur. DIL Ondulation crte crte du courant dans la bobine. Critres technologiques : Les selfs utilises dans les alimentations dcoupage doivent en autre supporter les hautes frquences (jusqu 100KHz). Il faut toujours choisir les modles prconiss par les constructeurs. III.1.3.4.2) Le condensateur.

S

S

VFI

CD

=a

DVS Ondulation crte crte de la tension de sortie. Critres technologiques : Les condensateurs utiliss dans les alimentations dcoupage doivent avoir une faible rsistance srie (ESR Effective Serie Resistor). En effet londulation 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 critre de choix de la diode doit tre la rapidit, en effet les convertis-seurs dcoupage fonctionnent des frquences de lordre de la dizaine de kilo-hertz. On choisit par consquent des diodes rapides comme les diodes schottky. Pour le transistor, il doit possder une faible rsistance et commuter rapidement, on utilise souvent des transistors MOS.


)()(

DSE

satES

VVVVVV

+-

=h

Avec cette quation on obtient des rendements de lordre de 80% 90%, comparer aux rendements des alimentations classiques de lordre de 50%. Ondulations de sorties.

Ondulation du courant dans linductance : FLV

I ELa

=D

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

V SSa

=D



IV) Bibliographie.

- Alimentations dcoupage Michel GIRARD DUNOD. - Alimentations linaires Michel GIRARD DUNOD. - Les alimentations lectroniques Pierre May -DUNOD

Documents

2203buckboostdimentionnement.pdf