Alim Secteur Sans Tranformateur

8/14/2019 Alim Secteur Sans Tranformateur

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Alimentation secteur sans transformateur / Philippe Morenton LT Pierre Emile Martin Bourges 1

ALIMENTATION SECTEUR SANS TRANSFORMATEUR

1INTRODUCTIONPour de petites applications telles que les gradateurs ou clignoteurs pour lampes, thermostats,etc., il est intressant de disposer dune alimentation simple sans transformateur volumineux ousans alimentation dcoupage.La tension fournie est en gnral 5V (alimentation dun microcontrleur ou dun circuit intgrspcialis) mais il est possible dobtenir une autre valeur. Lintensit fournie est de lordre du mAjusqu une quinzaine de mA. Il est possible dobtenir des valeurs plus leves, mais la taille duncomposant (un condensateur) devient alors importante.

Des notes dapplications donnent quelques lments pour le choix des composants.

Note dapplication AN1476 de ST : LOW-COST POWER SUPPLY FOR HOME APPLIANCES.Note dapplication AN954 de Microchip : CAPACITIVE TRANSFORMERLESS POWER SUPPLY

Le prsent document donne des explications dtailles sur le fonctionnement et sur le choix descomposants.

2PRINCIPELa tension secteur est applique uncondensateur plac en srie avec un circuit

dont la structure est telle que la tension ses bornes reste faible par rapport latension secteur.De ce fait, la tension aux bornes ducondensateur est presque gale latension secteur et elle est donc quasimentsinusodale.

Vedf

Ic1

RLSecteurEDF

Ve

f aible

devant

Vedf

C1 330nF

Simule lacharge

Vc1

Vs

Le courant circulant dans le condensateur est donc lui aussi quasiment sinusodal. Il est dphasde presque /2 par rapport la tension secteur.La puissance active consomme sur le secteur est trs faible : un peu plus que la puissancefournie la charge.La puissance ractive est relativement importante. Comme la plupart des quipements

lectriques prsentent une composante inductive, ce type dalimentation secteur permetglobalement damliorer le cos phi dune installation.


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Le courant circulant dansC1durant une alternance (ou2 avec une autre variante)permet de charger uncondensateur rservoir+ fournir un courant lacharge.Lorsque le couranttraversant C1 ne circulepas dans la charge, cest lecondensateur rservoir quefournit un courant dans lacharge.

SecteurEDF D3

1N4004Simule la

charge

D1zner

VDD

C2220uF

V1

C1 330nF

D21N4004

RL

0

Une diode zner permet de limiter la tension de sortie la valeur souhaite.

3FONCTIONNEMENTIl existe plusieurs schmas de base. Les fonctionnements sont trs proches.

3.1FONCTIONNEMENT DE LA VARIANTE 1Les explications sont donnes partir de la variante 1a.

3.1.1CIRCULATION DES COURANTS EN ENTREELorsque Ve dcrot,

le courant dans C1circule comme suit :

La tension auxbornes de D3 estngligeable parrapport la tensionsecteur.

V1

D21N4004

VDD

C2220uF

C1 330nF

SecteurEDF

RL

0

Simule lacharge

D1zner

D31N4004

En fin de dcroissance, la charge emmagasine dans C1 est : Q= C1*Amplitude tension secteur

Lorsque Ve crot, le

courant dans C1circule comme suit :

Les charges sonttransfres de C1 C2. Lors de la phasetransitoire, toute lacharge de C1 esttransfre C2 + RL.

V1

D2

1N4004VDD

C2220uF

C1 330nF

SecteurEDF

RL

0

Simule lacharge

D1zner

D31N4004


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En rgime tabli, une partie ou toute la charge est transfre C2, selon le cas defonctionnement. Lautre partie est transfre dans la diode zner D1.

Il existe une autrevariante (1b) trs prochedont le schma estdonn ci-contre :

C1 330nF

RL

0

V1

D1zner

D21N4004

D31N4004

VDD

C2220uF

Simule lacharge

SecteurEDF

Ci-dessous, les rsultats desimulation obtenus partirde la variante 1a :

D1 : 5,1V / 500mW

VE

V1

VDD

D21N4004

RL

Simule lacharge

Ve

Ic1C1 330nF

Secteur

EDF

Vc1

Id2

Id1

0

Ic2

Vd3

Id3

Vd2

Vz

C2

220uFD31N4004 D1zner

La tension obtenue en sortie est lgrement infrieure VZT (tension nominale de la diodezner).

3.1.2FONCTIONNEMENT EN CAS LIMITE

RL = 510 Ohms et C2 = 220F. Dans ce cas, la diode zner conduit seulement sur une trscourte dure en rgime tabli.


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Dtail de fonctionnement lors du rgime tabli

VDD moy = 4,75VVDD = 513 mV

Les courants dans la diode zner I(D1), le condensateur de lissage I(C2) et la charge I(RL) sontdtaills ci-dessous :

Pour les explications, on nglige le courant circulant dans la diode zner.


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Durant une demi-priode qui correspond la croissance de Ve, un courant iC1= iD2 >0 circuledans C1 qui permet de :charger le condensateur C2 (pendant une partie seulement de la demi-priode) avec un

courant iC2fournir un courant iRL la charge (pendant presque toute la demi-priode)

iC1 = iC2 + iRL

Durant lautre demi-priode, C2 se dcharge dans RL.

La quantit de charges emmagasines lors de la charge de C2 est gale la quantit de chargesperdues lors de la dcharge toutes les charges circulant travers RL sur la priode compltesont gales aux charges circulant dans C1 sur une demi-priode, lorsque vE crot.

==)T(

RL

)/T(

C dtidtiQ

2

1(1)

La valeur moyenne de iC1 est :

=

)/T(

CC1moy dti

T

I2

1

2

1(2) IC1moyest calcul sur une demi-priode, lorsque vEcrot.

(2) (1) TIT

I RLmoyC1moy =2

IC1moyest calcul sur une demi-priode, lorsque vEcrot

IC1moy / 2 = IRLmoy

Dcharge de C2dans RL

Charge de C2

Courant dans RL=

ic1 (=id2)

Courant dedcharge de C2

+

Courant dansRL=

ic1 (=id2)

-

Courantde charge

de C2


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Daprs les rsultats de simulation, on voit que iC1 est quasi sinusodal, de mme que la tensionaux bornes de C1 on peut raisonner comme si on avait des grandeurs sinusodales.La valeur moyenne de iC1 sur une demi-priode est :

( )

=

=12

11

21

1

CV

C

VI maxEmaxCmoyC

FCVFCVCV

ImaxE

maxEmaxE

RLmoy

=

=

= 12

2

212

2

12

FCVI maxERLmoy = 12

Cest la formule donne dans la note dapplication ST AN1476

Avec les valeurs du montage, on obtient :mA,FCVI maxERLmoy 105010330311212

6 == CQFD

La diode zner ne conduit quen fin de croissance de Ve.Lorsque la diode conduit, VDD 5V. La valeur nominale de la diode VZT (5,1V) nest pas atteintecar le courant la traversant nest pas suffisant.

Londulation de la tension de sortie provient presque uniquement de la dcharge de C2 dans lacharge pendant environ 10ms.

3.2FONCTIONNEMENT DE LA VARIANTE 2Les explications sont donnes partir de la variante 2a.

3.2.1CIRCULATION DES COURANTS EN ENTREELorsque Ve dcrot,le courant dans C1circule comme suit :

La tension auxbornes de D1 estngligeable parrapport la tensionsecteur.

V1

Simule lacharge

SecteurEDF

VDD

RL

C1 330nF

D1zner

D21N4004

0

C2220uF

En fin de dcroissance, la charge emmagasine dans C1 est : Q= C1*Amplitude tension secteur


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Lorsque Ve crot, lecourant dans C1circule comme suit :

V1

Simule la

charge

SecteurEDF

VDD

RL

C1 330nF

D1zner

D21N4004

0

C2220uF

Les charges sont transfres de C1 C2. Lors de la phase transitoire, toute la charge de C1 esttransfre C2. En rgime tabli, une partie ou toute la charge est transfre C2, selon le casde fonctionnement.

Il existe une autrevariante trs prochedont le schma estdonn ci-contre :

VDD

Simule lacharge

RLSecteurEDF

0

D1zner

D21N4004

C2220uF

V1

C1 330nF

Ci-dessous, les rsultats desimulation obtenus partirde la variante 2a :

D1 : 5,6V / 500mW.Il faut changer la valeurnominale de la diode znersi on veut obtenir unetension de sortie proche decelle de la variante 1a.

C2220uF

C1 330nF

D1zner

VE

Vz

Vd2Vc1

SecteurEDF

Simule lacharge

RLVe

0

D21N4004

VDD

V1

Ic1

La tension obtenue en sortie est lgrement infrieure VZT 0,6V (VZT : tension nominale de ladiode zner).

3.2.2FONCTIONNEMENT EN CAS LIMITERL = 510 Ohms et C2 = 220F. Dans ce cas, on observe que la diode zner conduit en inverseseulement sur une trs courte dure en rgime tabli.


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Avec les mmes valeurs que la variante 1, hormis la diode zner, on observe que le rgime tabliest atteint un peu plus vite. Le courant inverse dans la diode zner est un peu plus important icidans le rgime tabli.


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Dtail du fonctionnement lors du rgime tabli


Le fonctionnement est trs proche de celui de la variante 1a. On peut reprendre les mmesconclusions. La diode zner conduit en direct et en inverse (pour la stabilisation de tension).

3.3FONCTIONNEMENT DE LA VARIANTE 3

La variante 3 utilise un pont de Gratz.Le schma simplifi est le suivant :

Etant donn la faible tension auxbornes de la charge, le pont de diodeconduit presque tout le temps.

C2220uF

D41N4004

SecteurEDF

D21N4004

D31N4004

V1RL

D15,1V

Simule lacharge

C1 330nF

D51N4004

Par rapport aux variantes 1 et 2, valeurs de composants identiques, le courant max fourni lacharge est plus important, environ le double, et londulation est plus faible.


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3.3.1FONCTIONNEMENT EN CAS LIMITERL = 250 A chaque passage du courant dans C1, alternance > 0 ou


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Imax = Vmax / R = 230V * 2 = 325 V / R. Avec R = 470 , Imax = 0,69A.

Les valeurs des notes dapplications sont de 470 Ohms pour un condensateur C1 de 470nF.

On place aussi parfois un parasurtenseur en entre.

5CALCUL DES VALEURS DES COMPOSANTS5.1CALCUL DES CONDENSATEURSLes calculs sont donns pour les variantes 1 et 2.

Les calculs doivent seffectuer lors du rgime tabli en prenant le cas limite de fonctionnement,cest--dire la valeur moyenne maximale du courant absorb par la charge. Voir les 3.1.2 et3.2.2.

On rappelle que, pour le cas limite, la relation fondamentale dtermine prcdemment est :FCVI maxERLmoy = 12

Cependant, on a nglig un certain nombre de facteurs :Le courant circulant dans la diode zner (dpend de la caractristique dans la zone du coude)La forme exacte de la tension aux bornes de C1 et du courant dans C1 nest pas tout fait

sinusodaleOn ne tient pas compte de la rsistance de protection

De plus le condensateur C1 a souvent une tolrance de 20%. Il est donc prfrable de prendreune marge de scurit. La note dapplication ST prconise environ 30%. La formule retenir estdonc la suivante :

FCV,I maxERLmoy = 141

On peut donc facilement calculer C1 en fonction de la valeur max du courant moyen absorbpar la charge.

FV,

IC

maxE

RLmoy

=

411


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La tension de service de C1 doit tre de 400V. La valeur max en fonctionnement normal estdenviron 230 2 = 325V. Avec des parasites, cette tension peut augmenter sensiblement.

Pour calculer le condensateur de lissage, il suffit de fixer londulation acceptable.On a vu que londulation provient presque uniquement de la dcharge travers RL durantenviron 10ms. Un petite partie de londulation est due la circulation dun courant dans RLprovenant partiellement de C2 (lautre partie provient de C1).Si on suppose que le courant dans la charge est presque constant, on peut utiliser la relationsuivante pour londulation durant la dcharge entirement dans RL :

280

C

eargdch_tIVs, RL

t_dcharge= 10 ms

On utilise le facteur 0,8 pour tenir compte du fait que londulation ne provient pas uniquement dela dcharge durant 10ms.

Vs,

msIC RL

80

102

Exemples :a) Avec la variante 1, on a relev une ondulation de 513mV en cas limite. C=220F, IRL10 mA.

V,,*,Vs, 41051308080 ==

V,C

eargdch_tIRL450

2=

La relation donne plus haut est vrifie.b) Avec la variante 1, on a relev une ondulation de 360mV, hors cas limite. C=220F, IRL5mA.

V,,*,Vs, 2903608080 ==

V,

C

eargdch_tIRL220

2=

La relation donne plus haut nest pas tout fait justifie Hors cas limite, londulation est plus

importante que celle obtenue avec la relation donne.208 C

eargdch_tIVs RL

b) On veut une alimentation de 5V fournissant un courant de 10 mA max avec une ondulationde 400mV maxC1 = 0,46 F 0,47FC2 = 312 F 330 F

La note dapplication ST donne un tableau pour choisir les valeurs de C1 en fonction du courantfourni la charge :

Condensateur Courant max fourni la charge220 nF 4.9 mA330 nF 7.3 mA470 nF 10.4 mA680 nF 15 mA1 F 22.1 mA


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5.2CHOIX DE LA DIODE ZENER5.2.1TENSION

La tension de zner dpend de la variante.Avec la variante 1, il faut choisir une tension VZT un peu suprieure la tension de sortiesouhaite.Avec la variante 2, il faut choisir une tension VZT un peu suprieure la tension de sortiesouhaite + 0,6V.

5.2.2PUISSANCE DISSIPEEPour une tension de sortie de 5V et un courant < 20 mA, il faut choisir une diode zner dans unesrie 0,25W ou 0,5W. La dmonstration suit.

Si on ne fonctionne pas en cas limite, un courant circule dans la diode zner. Le cas le plusdfavorable est lorsque la charge nabsorbe aucun courant (dconnexion, etc.). Selon le

montage, il faut voir si ce cas doit tre pris en compte ou non.

On peut considrer que la tension aux bornes de la diode zner est constante lorsquelleconduit. Lorsque aucun courant ne circule dans la charge, la valeur moyenne du courant inversedans la diode zner est gale la valeur moyenne du courant dans C1 calcule sur une demi-priode.Avec la variante 2, on peut ngliger la puissance dissipe lors de la conduction en direct de ladiode zner devant celle dissipe lors de la conduction en inverse.

Dans le cas le plus dfavorable, la puissance dissipe dans la diode zner a pour expression :

)priodedemi_une_sur_calcul(IVzdti

T

Vzdti

T

Vzdtvi

T

P moyC)/T(

C

)/T(

D

)/T(

DDmoy ==== 12

1

2

1

2

11

111

Daprs les calculs effectus en 2.1.2 : FCVI maxEmoyC = 141

FCVVzP maxEmoy = 14

Exemple :On veut une alimentation de 5V fournissant un courant de 10 mA max avec une ondulation de400mV max. On a vu prcdemment quil faut un condensateur de 0,47F. Il faut choisir unediode zner avec une tension VZT = 5,1V (pour la variante 1)

Lorsque la charge est dbranche, la diode dissipe une puissance :W,,V,Pmoy 1505010470311415

6 ==

5.3RESISTANCE DE LIMITATION


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La valeur est choisie daprs lexprience. On rencontre souvent des valeurs de lordre de 470.

Le courant circulant dans C1 et R1 ne dpend presque que de la valeur de C1.Ieff Vedf eff*C1* = 220* C1 * 314 = 69000* C1La puissance dissipe dans cette rsistance est Pmoy = R*I2eff R* 690002 * C12

Ex :Avec R = 470 et C=470nF, la puissance dissipe en rgime tabli est P = 0,49W. Il faut choisirune rsistance dun W.

5.4DIODES DE REDRESSEMENTLe courant circulant dans ces diodes est du mme ordre de grandeur que celui circulant dans lacharge (dune dizaine de mA qqs dizaines de mA max dans la plupart des cas).La tension en inverse leurs bornes est toujours faible, car ds que la tension secteur estsuffisante (qqs diximes de V qqs V selon la diode et la version), il y a toujours une diode (oudeux selon la diode et la version) qui conduit en direct faible tension aux bornes de la ou desautres diodes.

On peut donc utiliser des diodes signal dans la plupart des applications (ex : 1N4148).Cependant on retrouve sur beaucoup de schma des diodes de redressement du type 1N400x.


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ANNEXE

6FONCTIONNEMENT LORS DU REGIME TRANSITOIRE ET HORS CAS LIMITEPOUR LA VARIANTE 1Ci-dessous, les rsultats desimulation obtenus partirde la variante 1a :

D1 : 5,1V / 500mW

VE

V1

VDD

D21N4004

RL

Simule lacharge

Ve

Ic1C1 330nF

SecteurEDF

Vc1

Id2

Id1

0

Ic2

Vd3

Id3

Vd2

Vz

C2220uFD3

1N4004 D1zner

6.1DETAIL DU FONCTIONNEMENT LORS DU REGIME TRANSITOIRE DE LAVARIANTE 1

Durant tout le rgime transitoire, la rgion de coude de la diode zner nest pas atteinte et onnglige le courant la traversant.


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Entre 0 et 5 ms :Ve crot. C2 se charge travers C1 et D2. Si on nglige le courant dans RL, les courants dans C1et C2 sont identiques. t=5 ms, en fin de charge de C1 et C2, les quantits de charges emmagasines dans les 2condensateurs sont identiques. En ngligeant la tension aux bornes de C2, Q 311V*C1. AvecC1= 330 nF, Q 102 C. La tension aux bornes de C2 a augment de 102 C / 220 F 0,46V.

Entre 5 et 15 msVe dcrot. C1 se dcharge puis se recharge sous une tension ngative. t = 15ms, il aemmagasin une quantit dlectricit Q - 311V*C1. Avec C1= 330 nF, Q -102 C.

Entre 15 et 20 msVe crot. C1 se dcharge travers D2 et C2 qui se charge. t = 20 ms, C1 est compltement dcharg. C2 a gagn 102 C, soit une variation de tensionde 102 C / 220 F 0,46V.

Entre 20 et 25 msVe crot toujours. C1 se charge sous une tension positive. C2 continue de gagner des charges.Si on nglige le courant dans RL, les courants dans C1 et C2 sont identiques.

t = 25 ms, en fin de charge de C1 et C2, les quantits de charges emmagasines dans les 2condensateurs sont identiques. En ngligeant la tension aux bornes de C2, Q 311V*C1. AvecC1= 330 nF, Q 102 C. La tension aux bornes de C2 a augment de 102 C / 100 F 0,46V.

6.2FONCTIONNEMENT HORS CAS LIMITERL = 1kOhm et C2 = 220F. Dans ce cas, on observe que la diode zner conduit sur une durerelativement importante par rapport la demi-priode en rgime tabli.


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Dtail du fonctionnement lors du rgime tabli

Le rgime tabli a lieu lorsque C2 a emmagasin suffisamment de charges pour que la diodezner conduise. Les chronogrammes dtaills sont donns ci-dessous :


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VDD moy = 4,93VVDD = 358 mVLes courants dans la diode zner I(D1), le condensateur de lissage I(C2) et la charge I(RL) sontdtaills ci-dessous :


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La diode zner ne cesse jamais de conduire. Pour simplifier les explications, on ne tient comptede la conduction quentre 459 ms et 465 ms environ.

entre 455 ms et 459 ms environVe crot. Ds que la tension secteur a suffisamment augment pour que D2 conduise, C2 secharge. Aux environ de t=459 ms, la tension aux bornes de C2 est assez grande pour que ladiode zner conduise.

Entre 459 ms et environ 461 msC2 continue ensuite se charger, mais une partie du courant circulant dans C1 et D2 passemaintenant dans la diode zner. t = 461 ms, le condensateur a fini de se charger.

Entre 461 et 465 msLe condensateur se dcharge dans la charge et la diode zner.Jusqu 464 ms, ID2 se spare lui aussi entre la charge et la diode zner.

Aprs 465 msLe condensateur se dcharge dans la charge. Le petit pic ngatif t = 465 ms est d au courantcirculant encore dans la diode zner.

7FONCTIONNEMENT HORS CAS LIMITE POUR LA VARIANTE 2RL = 1kOhm et C2 = 220F. Dans ce cas, on observe que la diode zner conduit en inverse surune dure relativement importante par rapport la demi-priode en rgime tabli.


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Documents

Alim Secteur Sans Tranformateur