22
Alimentations 1 JFA11 Les Alimentations A). Principe : On désire à partir de la tension secteur sinusoïdale alternative distribuée par E.D.F. (230 V 50 Hz) fournir une tension continue et constante. B). Structure : De manière générale, la structure d’une alimentation secteur est la s uivante : Schéma fonctionnel : VT U3 Redressement R1 R2 R3 R4 U1 Protection F1 F2 F3 F4 U4 Filtrage FC1 FC2 FC3 FC4 EDF1 VR EDF2 U2 Transf ormateur T1 T2 T3 T4 VC VS VCC 230V GND 50 Hz U5 Stablilisation ou Regulation SR1 SR2 SR3 SR4 VE VF C). Protection : I ). Définition : La protection est en général réalisée par un fusible. Il existe deux types de fusibles : Rapides : ils sont signalés par un F Le fusible fond dès que l’on dépasse le courant nominal du fusible. On trouve les valeurs suivantes : 1 ; 1,6 ; 2 ; 2,5 ; 3,15 ; 4 ; 5 ; 6,3 ; 8 avec leurs multiplicateurs en mA et en A. Temporisés : ils sont signalés par un T Le fusible fond après un certain temps de dépassement du courant nominal du fusible. On trouve les valeurs suivantes : 1 ; 1,6 ; 2 ; 2,5 ; 3,15 ; 4 ; 5 ; 6,3 ; 8 avec leurs multiplicateurs en mA et en A. II ). Schéma :

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Alimentations 1 JFA11

Les Alimentations

A). Principe :

On désire à partir de la tension secteur sinusoïdale alternative distribuée par E.D.F. (230 V – 50 Hz)

fournir une tension continue et constante.

B). Structure :

De manière générale, la structure d’une alimentation secteur est la suivante :

Schéma fonctionnel :

VT

U3

Redressement

R1

R2 R3

R4

U1

Protection

F1

F2 F3

F4

U4

Filtrage

FC1

FC2 FC3

FC4EDF1

VR

EDF2

U2

Transf ormateur

T1

T2 T3

T4

VC VS

VCC

230V

GND

50 Hz

U5

Stablilisation ou Regulation

SR1

SR2 SR3

SR4

VE VF

C). Protection :

I ). Définition :

La protection est en général réalisée par un fusible. Il existe deux types de fusibles :

Rapides : ils sont signalés par un F

Le fusible fond dès que l’on dépasse le courant nominal du fusible.

On trouve les valeurs suivantes : 1 ; 1,6 ; 2 ; 2,5 ; 3,15 ; 4 ; 5 ; 6,3 ; 8 avec leurs

multiplicateurs en mA et en A.

Temporisés : ils sont signalés par un T

Le fusible fond après un certain temps de dépassement du courant nominal du fusible.

On trouve les valeurs suivantes : 1 ; 1,6 ; 2 ; 2,5 ; 3,15 ; 4 ; 5 ; 6,3 ; 8 avec leurs

multiplicateurs en mA et en A.

II ). Schéma :

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Alimentations 2 JFA11

III ). Calculs :

On a une alimentation de 5V 1A, si pour simplifier, on admet que les pertes dans

l’alimentation sont nuls, calculer la valeur du fusible à mettre au primaire du transformateur.

Solution :

mAU

UII 74,21

230

5.1

1

2.21 soit un fusible temporisé de 25 mA ; soit T25mA.

IV ). Choix des composants :

Pour une alimentation, il faudra toujours choisir un fusible temporisé.

D). Transformateur :

I ). Définition :

Le transformateur sert à diminuer la tension secteur distribuée par EDF, en une tension compatible

avec notre alimentation. Il est composé de deux bobinages réalisés autour d'un noyau en fer.

Si la bobine primaire contient N1 Spires et la bobine secondaire contient N2 spires. La tension des

bobines est proportionnelle au nombre de spires. Le transformateur ayant un très bon rendement, la

puissance P1 est retransmise au secondaire P2. On a alors les relations suivantes :

21 PP

)2.(21.1 IVIV

1

2

2

1

2

1

I

I

V

V

N

N

2

1

N

N est le rapport de transformation.

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Alimentations 3 JFA11

II ). Schéma :

III ). Calculs :

Si la bobine primaire contient 240000 spires pour un transformateur 240 V, combien le secondaire

a-t-il de spires si on veut une tension de 12V ?

Réponse :

12000240

240000.12

1

1.22 V

NVN Spires

IV ). Chronogrammes :

VF ; VT ;

V ). Choix des composants :

Les critères de choix du transformateur sont :

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Alimentations 4 JFA11

La tension primaire,

La tension secondaire,

La puissance maximale,

Le nombre d’enroulements au secondaire.

E). Redressement Simple Alternance :

I ). Définition :

Le redressement Simple Alternance permet de passer d’un signal sinusoïdal alternatif à un signal

unipolaire (positif ou négatif) avec une seule alternance.

II ). Schéma :

DVT VR

R1

R3R2

R4

III ). Etude :

Si VT > VD :

La diode est passante, donc VR = VT 0,7V.

VD = 0,7V

Si VT < VD :

La diode est bloquée, donc VR = 0V.

VD = VT

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Alimentations 5 JFA11

IV ). Chronogrammes :

VT ; VR ; IR

VT ; VD ; ID

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Alimentations 6 JFA11

V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :

T

0moy dt).t(VR.

T

1VR

RV̂VRmoy

Une tension redressée simple alternance de 10V crête, est équivalente à une tension continue de

3,18 V.

T

0

22

eff dt.)t(VR.T

1VR

2

RV̂VReff

Une tension redressée simple alternance de 10V crête, est équivalente à une tension alternative

de 5 V efficace.

VI ). Choix de la diode :

Pour le courant direct :

C’est le même que celui de la résistance, donc il doit être supérieur à

.R

RV̂

R

VRIRID

moy

moymoy .

Pour la tension inverse :

Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse = VTmax

F). Redressement avec point milieu

I ). Définition :

Le redressement avec un transformateur à point milieu permet de passer d’un signal sinusoïdal

alternatif à un signal unipolaire (positif ou négatif) avec les deux alternances.

II ). Schéma :

R4

D2

VR

R2

VT

R3

VT

R1

R'1

D1

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Alimentations 7 JFA11

III ). Etude :

Si VT > VD :

La diode D1 est passante, donc VR = VT 0,7V.

La diode D2 est bloquée.

VD1 = 0,7V ; VD2 = 2VT

Si VD < VT < VD :

La diode D1 est bloquée, la diode D2 est bloquée, donc VR = 0V.

Si VT < VD :

La diode D1 est bloquée.

La diode D2 est passante, donc VR = VT 0,7V.

VD1 = 2VT ; VD2 = 0,7V ;

IV ). Chronogrammes :

VT ; VR ; IR

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Alimentations 8 JFA11

VT ; VD1 ; VD2 ; ID1 ; ID2

V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :

T

0moy dt).t(VR.

T

1VR

RV̂.2VRmoy

Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension continue de

6,36 V.

T

0

22

eff dt.)t(VR.T

1VR

2

RV̂VReff

Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension alternative

de 7 V efficace.

VI ). Choix des diodes :

Pour le courant direct :

C’est le même que celui de la résistance divisé par 2, donc il doit être supérieur à :

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Alimentations 9 JFA11

.R

RV̂

.R.2

RV̂.2

R.2

VR

2

IRID

moymoy

moy .

Pour la tension inverse :

Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse = 2.VTmax

G). Redressement avec pont de GRAETZ :

I ). Définition :

Le redressement par pont de GRAETZ permet de passer d’un signal sinusoïdal alternatif à un signal

unipolaire (positif ou négatif) avec les deux alternances.

II ). Schéma :

R1

D4

R2 R3

VT

D2

D1

VR

R4

D3

III ). Etude :

Si VT > 2.VD :

La diode D1 et D4 sont passantes, donc VR = VT 1,4V.

La diode D2 et D3 sont bloquées.

VD1 = VD4 = 0,7V ; VD2 = VD3 = VT

Si -2.VD < VT < 2.VD :

La diode D1, D2, D3, D4 sont bloquées, donc VR = 0V.

Si VT < 2.VD :

La diode D2 et D3 sont passantes, donc VR = VT 1,4V.

La diode D1 et D4 sont bloquées.

VD1 = VD4 = VT ; VD2 = VD3 = 0,7V ;

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Alimentations 10 JFA11

IV ). Chronogrammes :

VT ; VR ; IR

VT ; VD1,VD4 ; VD2, VD3 ; ID1, ID4 ; ID2, ID3

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Alimentations 11 JFA11

V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :

T

0moy dt).t(VR.

T

1VR

RV̂.2VRmoy

Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension continue de

6,36 V.

T

0

22

eff dt.)t(VR.T

1VR

2

RV̂VReff

Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension alternative

de 7 V efficace.

VI ). Choix des diodes :

Pour le courant direct :

C’est le même que celui de la résistance divisé par 2, donc il doit être supérieur à :

.R

RV̂

.R.2

RV̂.2

R.2

VR

2

IRID

moymoy

moy

Pour la tension inverse :

Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse = VTmax

H). Filtrage en redressement simple alternance :

I ). Définition :

Le filtrage est effectué par un condensateur, qui permet de rendre la tension redressée par la diode

presque continue (positif ou négatif).

II ). Schéma :

VT

C

VR

R1

VCD

FC4

FC3R2

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Alimentations 12 JFA11

III ). Etude :

Si VT > VC+VD :

La diode est passante, donc VC =VR = VT 0,7V.

VD = 0,7V.

Si VT < VC+VD :

La diode D est bloquée, donc VC = VR

VD = VT VC

IV ). Chronogrammes :

VT ; VR ; IR ; IC

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Alimentations 13 JFA11

VT ; VD ; ID ;

V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :

Si le condensateur est bien choisi, la tension de sortie est continue, donc :

V7,0TV̂VDTV̂VRmoy

Une tension de 10V crête redressée simple alternance, est équivalente à une tension continue de

9,3 V.

La tension efficace n’est plus intéressante.

VI ). Calcul du condensateur :

A partir de l’équation du condensateur, on a :

dVc

dt.IcC

On peut utiliser les composants de la décharge pour déterminer les valeurs :

Ic est le courant de décharge, et R

VRIRIc

moy

moy

dt est le temps de décharge, c’est approximativement T.

dVc est la variation de tension aux bornes du condensateur, c’est la variation de tension que

l’on peut admettre, si elle n’est pas précisée, on prendra de 5% à 10% de VTmax.

Si on utilise un régulateur de tension, elle est imposée, on utilisera alors Vmax – Vmin.

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Alimentations 14 JFA11

Exemple 1 :

Calculer le condensateur d’une alimentation de 5V, 1A.

F2,01,0

mS20.1

dVc

dt.IcC : ce qui est énorme !

Exemple 2 :

Calculer le condensateur d’une alimentation de 5V, 1A dont la tension minimum est de

7V, alimentée par un transformateur de 220V / 9V (on négligera la tension de diode).

µF349172.9

mS20.1

dVc

dt.IcC

: ce qui est mieux !

On choisira donc un condensateur de 4700µF, avec une tension de service de

V72,122.9 minimum soit 16V normalisé.

VII ). Choix de la diode :

Pour le courant direct :

C’est le même que celui de la résistance, donc il doit être supérieur à

R

RV̂

R

VRIRID

moy

moymoy .

Attention à la première pointe de charge, la diode doit pouvoir la supporter.

Pour la tension inverse :

Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse = 2.VTmax

I). Filtrage en redressement double alternance (avec pont de graëtz) :

I ). Définition :

Le filtrage est effectué par un condensateur, qui permet de rendre la tension redressée par la diode

encore plus continue (positif ou négatif).

II ). Schéma :

VCVT VR

C

D2

FC4

R2

D4

R1

D1

D3

FC3

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Alimentations 15 JFA11

III ). Etude :

Si VT > VC+2.VD :

Les diodes D1, D4 sont passantes, donc VC =VR = VT 1,4V.

Les diodes D2, D3 sont bloquées.

VD1 = VD4 = 0,7V ; VD2 = VD3 = VT

Si VT < VC+2.VD :

Les diodes D2, D3 sont passantes, donc VC =VR = VT 1,4V.

Les diodes D1, D4 sont bloquées.

VD2 = VD3 = 0,7V ; VD1 = VD4 = VT

IV ). Chronogrammes :

VT ; VR ; IR ; IC

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Alimentations 16 JFA11

VT ; VD ; ID ;

V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :

Si le condensateur est bien choisi, la tension de sortie est continue, donc :

V4,1TV̂VD.2TV̂VRmoy

Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension continue de

8,6 V.

La tension efficace n’est plus intéressante.

VI ). Calcul du condensateur :

A partir de l’équation du condensateur, on a :

dVc

dt.IcC

On peut utiliser les composants de la décharge pour déterminer les valeurs :

Ic est le courant de décharge, et R

VRIRIc

moy

moy

dt est le temps de décharge, c’est approximativement T/2.

dVc est la variation de tension aux bornes du condensateur, c’est la variation de tension que

l’on peut admettre, si elle n’est pas précisée, on prendre de 5% à 10% de VTmax.

Si on utilise un régulateur de tension, elle est imposée, on utilisera alors Vmax – Vmin.

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Alimentations 17 JFA11

Exemple 1 :

Calculer le condensateur d’une alimentation de 5V, 1A.

F1,01,0

mS10.1

dVc

dt.IcC : ce qui est énorme !

Exemple 2 :

Calculer le condensateur d’une alimentation de 5V, 1A dont la tension minimum est de

7V, alimentée par un transformateur de 220V / 9V (on négligera la tension de diode).

µF174572.9

mS10.1

dVc

dt.IcC

: ce qui est mieux !

On choisira donc un condensateur de 2200µF, avec une tension de service de

V72,122.9 minimum soit 16V normalisé.

Donc le condensateur est 2 fois moins gros en double alternance par rapport au simple

alternance.

VII ). Choix des diodes :

Pour le courant direct :

C’est celui de la résistance divisé par 2, donc il doit être supérieur à

R.2

RV̂

R.2

VR

2

IRID

moymoy

moy .

Attention à la première pointe de charge, les diodes doivent pouvoir la supporter.

Pour la tension inverse :

Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse = VTmax

J). Stabilisation à diode zener :

I ). Définition :

La stabilisation permet de rendre encore plus continue la tension de sortie (positif ou négatif).

II ). Schéma :

VC

SR4

VS

SR3

SR1

RZ

SR2

DZ

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Alimentations 18 JFA11

III ). Etude :

Si VC > VDz :

La diode DZ est passante, donc VS =Vz.

VRz = VC VS.

Si VC < VDz :

La diode DZ est bloquée, donc VS =VC.

VRz = 0.

IV ). Chronogrammes :

VT ; VS ; VC ;

V ). Calcul de la diode zener et de la résistance RZ :

Si le montage est à vide, IS=0, donc Iz = IRZ :

Rz

RV̂Izmax

Par contre si IS ≠ 0, Iz=IRZ IS. On remarque donc qu’il existe une charge maximum au

montage qui annule le courant dans la zener, il n’y a donc plus de stabilisation !

Pour que la zener puisse jouer son rôle de stabilisation, il faut qu’il y ait un courant minimum

qui la traverse soit IZ min de 1 mA à 10mA.

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Alimentations 19 JFA11

Donc : maxISminIZ

VZVCRZ

avec IZmax < IZmin + IS

Exemple :

Calculer la résistance de stabilisation et la diode zener d’une alimentation de 5V, 10mA avec

une tension filtrée de 7V.

133mA15

2

mA10mA5

57RZ

et W4/1mW33

120

2

RZ

UP

22

RZRZ

Pour la diode zener, il faudra qu’elle supporte un courant à vide de 15mA soit

Pz=5,1.0,015=0,075 W

Avec une tension de zener de 5,1V

K). Stabilisation à diode zener et transistor :

I ). Définition :

Pour des puissances de stabilisation plus importantes, on ajoute un transistor, car on est vite limité

en puissance.

II ). Schéma :

SR2

T1

CZDZ

SR1

SR3

RZ

SR4

VS

VC

III ). Etude :

Si VC > VDz :

La diode DZ est passante, donc VS =Vz - VBE.

VRz = VC Vz.

Si VCE < VC < VDz :

La diode DZ est bloquée, donc VS =VC - VCE.

Si 0 < VC < VCE :

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Alimentations 20 JFA11

Le transistor est bloqué, donc VS =0.

IV ). Chronogrammes :

VT ; VS ; VC ;

V ). Calcul de la diode zener et de la résistance RZ :

Si le montage est à vide, IS=0, donc Iz = IRZ :

Rz

RV̂Izmax

Par contre si IS ≠ 0, Iz = IRZ IB. On remarque donc qu’il existe une charge maximum au

montage qui annule le courant dans la zener, il n’y a donc plus de stabilisation !

Pour que la zener puisse jouer son rôle de stabilisation, il faut qu’il y ait un courant minimum

qui la traverse soit IZ min de 1 mA à 10mA.

Donc : maxmin IbIZ

VZVCRZ

avec IZmax < IZmin + Ibmax

Et

maxIS

maxIb

Exemple :

Calculer la résistance de stabilisation et la diode zener d’une alimentation de 5V, 1A avec une

tension filtrée de 7V.

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Alimentations 21 JFA11

133mA15

2

mA10mA5

57RZ

et W4/1mW33

120

2

RZ

UP

22

RZRZ

Pour la diode zener, il faudra qu’elle supporte un courant à vide de 15mA soit

Pz=5,1.0,015=0,075 W

Avec une tension de zener de 5,6V

L). Régulation :

Stabilisation : on définit une consigne et on laisse le système agir.

Régulation : on définit une consigne, on "regarde" en sortie que l'on a la valeur attendue et on "rectifie"

pour l'avoir (en plus ou en moins suivant le cas).

En régulation, on cherche toujours à avoir mesure = consigne

En stabilisation, il n'y a pas de mesure de la valeur de sortie !.

I ). Définition :

Pour effectuer la régulation, on utilise un régulateur de tension.

II ). Schéma :

VC

SR3

SR1 SR4

SR2

C1

U1 LM78XX

1 2

3

IN OUT

GN

D

0

C3C2

VS

III ). Calculs :

La tension VSR1-VSR4 appelée tension de régulation (CrossOver) doit être au minimum de 2V.

IV ). Choix des composants :

Le régulateur :

On choisira un 78XX pour une tension positive ;

On choisira un 79XX pour une tension négative ;

Le XX sera replacé par la valeur de tension que l’on veut en sortie.

7805 pour une tension de sortie positive de 5V.

7915 pour une tension de sortie de -15V.

Le condensateur C2 :

C’est un condensateur de filtrage de parasite qui compense la faible bande passante de C1, il doit

être non polarisé, et de valeur de 100nF à 1uF.

Le condensateur C3 :

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Alimentations 22 JFA11

C’est un condensateur de filtrage de parasite qui compense la faible stabilité du régulateur, il doit

être soudé le près du régulateur pour éviter son oscillation. Il doit donc être non polarisé pour avoir

une bande passante élevée.

Mais il doit être de forte capacité pour servir de réservoir en cas d’appel de courant important ;

Ce qui est contradictoire !

On solutionne le problème en mettant un condensateur polarisé au tantale de 0,1uF à 10uF.

M). Refroidissement :