Tp Electronique ALIMENTATIONS A DECOUPAGE

7/25/2019 Tp Electronique ALIMENTATIONS A DECOUPAGE

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Polytech'Nice4

meAnne

T.P. d'Electronique

TTPPNN66

ALIMENTATIONS A DECOUPAGE

I. Le mcanisme de rgulation dcoupage

Le but de cette manipulation est la comprhension du mcanisme de rgulation pardcoupage.Les structures dalimentation dcoupage telles que nous les rencontrons actuellement sont en faitdirectement drives de la structure des alimentations stabilises, o lon aurait chercher minimiserles deux inconvnients principaux des alimentations dites linaires :- la taille et le poids du transformateur- le mauvais rendement d la puissance dissipe dans le rgulateur.

Sur un plan fonctionnel, le rgulateur est un convertisseur continu/continu, asservi en tension. Lapuissance dissipe par le rgulateur est due au caractre linaire du fonctionnement du composant, asavoir quil prsente simultanment une tension non nulle ses bornes, et un courant non nul letraversant. Il est possible dobtenir la mme fonction en utilisant un hacheur (srie par exemple)associ un filtre, le tout asservi en tension.Dans ce cas, le transistor de puissance utilis pour moduler la tension en sortie du montagefonctionne en rgime de commutation, et prsente des pertes de fonctionnement beaucoup plusfaibles (le composant est soit bloqu, et le courant qui le traverse est nul, soit passant et la tension ses bornes est proche de zro).

Lutilisation dune association hacheur + filtre + rgulation permet donc damliorerconsidrablementle rendement de notre alimentation, mais permet galement, indirectement, de rduire le volume et lataille du transformateur. En effet, la meilleure faon de rduire la taille dun circuit magntique,notamment pour un transformateur, est daugmenter sa frquence defonctionnement. Si lon tudie laformule de Boucherot :

NfSBVeff ....44,4

avec V: valeur efficace de la tension aux bornes dun enroulement, f: frquence, S : surface du circuitmagntique, B : induction crte en rgime sinusodal, N : Nombre d'enroulement.

Il apparat que pour diminuer la surface du circuit magntique (et donc son poids et son volume) induction constante, sans modifier le nombre de spires (ce qui augmenterait le volume dutransformateur), il suffit daugmenter la frquence.Dans une alimentation stabilise classique, le transformateur est plac directement sur le rseau, etfonctionne donc 50 Hz. Dans une alimentation dcoupage, il est possible de placer letransformateur entre le hacheur et le filtre. De cette faon, il est aliment par une source de tensionalternative (la tension de sortie du hacheur), mais fonctionne la frquence du hacheur,gnralement de lordre de quelques dizaines quelques centaines de kilo-hertz.

II. Etude thorique

A. Inductance

Si on considre un simple circuit compos d'une batterie connecte une inductance L (Figure 1),quand la batterie est connecte l'inductance, le courant ne change pas instantanment de zro sa


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valeur maximale. Les lois de l'induction lectromagntique ( loi de Faraday) s'y oppose. En ralit,comme le courant augmente avec le temps, le flux magntique travers la boucle augmenteproportionnellement au courant. La hausse de ce flux magntique induit une f.e.m dans le circuit quis'oppose l'volution du flux magntique. En suivant la loi de Lenz, le champs lectrique induit dansla boucle doit s'opposer la direction du courant.

Le courant dans l'inductance suit alors la loi : tL

V

iL

L'augmentation de courant s'arrte quand elle est limite par la rsistance srie de l'inductance.

A ce moment l, l'nergie stocke dans l'inductance est : .5.0 ILEL

Figure 1

En d'autres termes, une inductance ne permet pas des changements abrupts de courant, quand latension appliqu sur l'inductance change, une f.e.m est gnre qui s'oppose ce changement.Par exemple, quand le circuit est coup, l'inductance va essayer de maintenir le flux de courant engnrant une tension trs importante ses bornes. Habituellement, cela rsulte en un pic de tensiono l'nergie magntique contenu dans l'inductance est relche. Cet effet particulier est utilis dansles convertisseurs boost pour lever la tension partir d'une batterie.

B. Convertisseur Boost

Figure 2 : Circuit convertisseur Boost

Le convertisseur boost est certainement le plus simple des convertisseurs switchs. Il utilise unesimple inductance (sans ncessit de transformateurs). On peut expliquer simplement sonfonctionnement avec le diagramme de la figure 2. Le transistor est reprsent par un switch idal.Le circuit aliment par le convertisseur est modlis ici par une simple rsistance Rload.

Une capacit C est utilise pour lisser la tension de sortie.Le switch sera ouvert et ferm suivant la priode T. La rapport cyclique xde la tension de contrle duswitch pourra tre vari donc : 0 < x


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Le switch sera donc ferm pendant une dure xT. Et il sera ouvert pendant une dure (1-x)T.

1. Courant dans l'inductance avec le switch ferm

Quand le switch est ferm, le circuit quivalent la Fig. 2.A. Une source de tension est applique auborne de l'inductance et la hausse de courant dans l'inductance est dpendante de la tension Vs et de

la valeur de l'inductance suivant l'quation diffrentielle :

Vbatdt

diL L (1)

Si la source de tension reste constante, la hausse de courant est positive et reste fixe, tant quel'inductance n'est pas sature. Ainsi l'quation est :

L

Vbat

t

iL

(2)

Le switch reste ferm sur un intervalle xT et donc xT peut tre utilis pourt.L'augmentation nette de courant quand le switch est ON est obtenu de l'quation(2) et :

L

VxTi batL (3)

2. Courant dans l'inductance avec le switch ouvert

A un moment donn, le switch est ouvert par le circuit de commande (Fig. 2B). Le courant cetinstant a atteint une certaine valeur pic. Nous avons vu prcdemment qu'une inductance va toujoursessay de maintenir un courant ces bornes. Comme le switch est ouvert, le seul chemin que lecourant peut emprunter est de passer par la diode D puis la capacit C.La tension au borne de l'inductance est :

VoutVbatvL (4)

Comme la tension de sortie est suprieure la source de tension, la tension aux bornes del'inductance est ngative et la drive du courant dans l'inductance donne par l'quation (5) estngative.Si le switch est gard ouvert pendant un temps (1-x)T, l'volution du courant dans l'inductance estdonne par :

L

VoutVbat

dt

diL (5) Tx

L

VoutVbatiL )1(

(6)

L'volution du courant dans l'inductance donn par (6) est ngative tant que Vo> VS.Si l'inductance n'a pas le temps de se dcharger pendant le temps (1-x)T, on considre que l'on esten rgime continu ou 2 temps.

3. Mode continu

Ainsi, en rgime tabli, l'volution du courant dans l'inductance sur une priode est nulle, alors queiL(t) est priodique, la somme de l'volution du courant exprim en (4) et (6) est nulle (figure 3) :

0)1()(

TxL

VoutVbatxT

L

Vbat (7)

On simplifiant l'quation (7), on a:

x

VbatVout

1

(8)

Le rapport cyclique varie de 0 < x < 1 et on peut voir sur l'quation (8) que la tension de sortie estsuprieure la tension d'entre.


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Figure 3 : Mode continu

Figure 4: Mode discontinu

4. Mode discontinu ou 3 temps :

Le systme fonctionne en mode discontinu quand l'inductance a compltement le temps de sedcharger et passe donc une partie de la demi-priode o le switch est ouvert ne rien faire. C'estpour cela que l'on parle aussi de rgime 3 temps.

En faisant le rapport entre la puissance stocke dans l'inductance et la puissance dissipe par la

charge (load), il est possible de calculer la tension de sortie du convertisseur boost.Chaque seconde, la quantit d'nergie dissipe dans la charge est gale :

)(2

JR

V

load

out (9)

Lorsque le switch se ferme, l'inductance est compltement dcharge, donc le courant maximal dansl'inductance lorsque le switch s'ouvre est alors gale :

)(xTL

VbatI pic

L (10)

L'nergie par priode dlivr par l'inductance la charge est :

5.05.0 Tx

L

VbatLI

pic

L (11)

En une seconde, il y a f=1/T priodes, donc l'nergie dlivre la charge en une seconde est :

TxL

Vbat5.0 (12)

Donc en rgime tabli, l'nergie dlivre par l'inductance est gale l'nergie consomme par lacharge : [9]=[12], et on peut en dduire la tension en sortie :

load

out

R

VTx

L

Vbat 2

5.0 (13)

5.

Rgime critique

Ce mode marque lafrontire entre les rgimes discontinus et continu (figure 5).

L

TRVbatxVout load

2. (14)


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Figure 5 : Rgime critique

C. Alimentations dcoupage Buck Boost

Un convertisseur Buck-Boost est une alimentation dcoupage qui convertit une tensioncontinue en une autre tension continue de plus faible ou plus grande valeur mais de polarit inverse.Un inconvnient de ce convertisseur est que son interrupteur ne possde pas de borne relie au zro,compliquant ainsi sa commande.

Dans les rgulateurs dcoupage, on s'efforce de faire travailler le transistor ballastexclusivement en rgime bloqu - satur. Ainsi, sa dissipation est minimale, puisque proportionnelle

la tension de dchet CEsatV , trs infrieure la valeur SE VV des rgulateurs linaires. Ceci pos,

le problme consiste obtenir en sortie une tension stable en agissant sur le transistor par tout ourien. Pour ce faire, diffrentes solutions sont possibles. On va s'intresser la solution retenue parTexas Instruments pour son circuit intgr TL497.

On considre dans l'tude thorique lecas du rgulateur srie abaisseur de tension(Figure 1).

On introduit deux lments nouveauxessentiels: une inductance L et une diode D.

Durant la phase de saturation dutransistor, l'inductance L est soumise une tension

SCEsatE V)VV( . Si la rsistance LR de la

bobine est suffisamment faible, le courantLi

augmente linairement jusqu' la valeur

maximumLI . Pendant ce temps, l'inductance se

charge en nergie magntique.Le condensateur C permet de filtrer la

tension de sortie, ce qui pose peu de problmes

+

-

R1

R2

VE

VS

IC

Ic

Id

D

M

I L

circuit de contrle

Q

L

+

-

Is

C

Figure 1puisque la frquence de dcoupage peut tre leve(quelques dizaines quelques centaines de KHz).

En premire approximation, on peut ngliger la chute de tension dans la diode (de l'ordre dela tension de seuil soit 0.6 0.7 Volts pour une diode au silicium).


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On dcoupe la tensionEV en bloquant - saturant le transistor une frquence fixe par le

circuit de contrle. Soit la dure de la phase de dcoupage. Elle correspond la charge progressivedu condensateur C de sortie jusqu' une tension de rfrence. Le dcoupage est suivi d'un tempsmort pendant lequel C se dcharge lentement puis le dcoupage recommence.

Pour rguler la tension de sortie, on peut agir sur le rapport cyclique T avec T fixe. Ce type

d'alimentation est bien adapt la conversion des fortes puissances. Pour les faibles puissances, ilest souvent plus facile d'agir sur T, en maintenant fixe (ce qui sera le cas dans le TP).

L'alimentation dcoupage TL497

Il s'agit d'un circuit intgr monolithique,

travaillant dure de conductionC

T fixe et

frquence de dcoupage F variable. Ce circuitintgre divers lments comme cela apparatfigure 2. Le TL497 est conu pour accepter autourde lui diffrents composants annexes, enparticulier la diode D et l'inductance L et donnernaissance trois types d'alimentations, selonl'agencement des composants externes. Ondonne ci-dessous 3 types d'alimentation dcoupage ralisables avec le TL497 (montagesinverseur, abaisseur et lvateur de tensioncontinue, figures 3, 4, 5). Les rendementsindiqus sont obtenus pour des conditionsoptimales de fonctionnement. Dans tous les cas,le dcoupage est command par un oscillateurinterne dont la frquence est rgle par

l'adjonction d'une capacit externe0

C .Figure 2


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III.Prparation thorique

Nous utiliserons le montage dcrit sur la figure 7 avec une tension d'alimentation Vbat=5V,l'inductance a une valeur de 4.5 mH.

1/ Si Vdecoup=0V, quelle sera la tension Vout2/ Que se passe-t-il se on utilise ce circuit sans aucun charge (en circuit ouvert) ?3/ En mode 3 temps, pour une rsistance de charge de 1.8 k et un rapport cyclique de 50%et unefrquence de 10KHz, quelle est la tension de sortie ?4/ En mode 2 temps, pour une rsistance de charge de 1.8 k et un rapport cyclique de 50%et unefrquence de 20KHz, quelle est la tension de sortie ?

IV. Partie exprimentale

A. Montage convertisseur Boost

Nous allons utiliser la maquette avec le montage ci-dessous pour vrifier la thorie. Une rsistance decharge de 1.8 kest soude sur la plaquette pour viter toute manipulation. Une rsistance de 1 at place en srie avec l'inductance pour permettre de mesurer le courant iL. La rsistance n'tantpas relie la masse, il faudra utiliser une sonde diffrentielle pour faire la mesure sur l'oscilloscope.

Figure 7 : Maquette du montage booster

1. Dcoupage

a. Initialisation de la maquette et rgime critique


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ATTENTION ! Afin de visualiser les courants dans les selfs avec l oscilloscope,vous utiliserez une sonde, la masse de celle-ci sera branche sur le GND de la maquette, lecrochet de signal sera sur le plot VL

Appliquer une tension de 5V au Vcc (+5V) de la plaquette.

Gnrer un signal carr d'amplitude -1 V 4 V, avec une frquence 10 kHz et un

rapport cyclique de 50 % sur le gnrateur HP 8116A. Appliquer ce signal sur l'entre de dcoupage.

Visualisez la tension VL avec une sonde sur l'oscilloscope, pour visualiser le courantdans l'inductance, il est prfrable d'inverser la tension visualise, pourquoi ?

Visualisez en mme temps sur l'oscilloscope la tension Vdecoup.

Quel est le mode de fonctionnement ? Pourquoi ?

Observer avec le multimtre la tension obtenu sur Vout, commentaire par rapport lathorie?

Vous entendez un son, quel est son origine ?

Changer maintenant la frquence du signal carr 20KHz, quel est le mode defonctionnement, vrifier Vout par rapport la thorie.

Chercher la frquence de dcoupagequi permet de fonctionner en rgime critique.

b. Rgime continu ou 2 temps

Modifier maintenant la rapport cyclique 80% et la frquence 40 KHz pour tre en rgimecontinu. Imprimer un oscillogramme avec le courant dans l'inductance et la commande du switch.

Faites varier la frquence tout en restant en rgime continu, est-ce que la tension de sortiechange ? Commentaire par rapport la thorie ?

Faites varier le rapport cyclique, tracer la tension de sortie en fonction du rapport cyclique touten restant en rgime continu. Respectez-vous la variation prvue dans la thorie ?

c. Rgime discontinu ou 3 temps

Choisissez maintenant une frquence de 10 KHz et un rapport cyclique de 20% qui vouspermette de travailler en rgime discontinu. Imprimer un oscillogramme.

Modifier la frquence entre 5 et 20 KHz, est-ce que la tension de sortie est modifie ?Tracez la tension de sortie en fonction du rapport cyclique, comparaison par rapport la

thorie.

2. Rgulation asservie manuellement

a. Variation d'amplitude

On veut maintenir une tension rgule de 20 V malgr d'ventuelles variations damplitudede la tension Valim.

Rgler lamplitude de Valimpour avoir les 20 V rguls initiaux sur la charge nominale de 1.8ken avec une frquence de dcoupage de 20 KHz et un rapport cyclique de 50 %.Tracer le pourcentage de rapport cyclique du signal carr appliquer en fonction dune

variation de la tension Valim, pour maintenir 20 V. Aller jusquauxlimites de rgulation.

b. Variation de la charge

On veut maintenir une tension rgule de 10 V malgr d'ventuelles variations de la charge.Rgler une frquence de dcoupage de 40 KHz et choisissez le rapport cyclique pour queVout=10V.

Brancher une rsistance variable en parallle avec la rsistance de 1.8 KTracer le pourcentage de rapport cyclique du signal carr appliquer, en fonction dune

diminution de la rsistance de charge, pour maintenir 10 V. Partir de 200 et descendezjusqu 120

par pas de 10


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B. Montage Buck Boost auto-asservi

Montage inverseur de tension (Fig. 6)

Utilisez maintenant la maquette du montage Buck Boost

Rle des rsistances LDT RR,R : Mesurer (visualiser) les courants dans les branches oelles se trouvent. Court-circuiter ces rsistances si elles ne sont pas utilises pour la mesure.

Prendre : V5VE , pF470C0 , HL 100 , 100RC . Ces conditions de mesure

peuvent tre ventuellement modifies pour mieux mettre en vidence certains phnomnes.

Utiliser une sonde capacitive (capacit de sonde ~ 11 pF).

Mesurer la tension en sortie sur le multimtre, commentaire sur le signe de la tension continu.

Faites varier la tension en entre entre 1 et 7 V, et observer lvolution de la tension de sortie.

Observer aussi les signaux du courant )t(iL dans l'inductance L, de la tension en sortie

immdiate du transistor )t(vT , et de la tension sur la diode. Commentaires ?

Mettez une tension dentre de 3V, et faites varier la charge Rc entre 3 et 3300 ,commentaires.

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