une alimentation stabilisée - étudiant

GEII Site de Brive 1ère année

Septembre 2009 L. Page – B. Bourcier – C. Villeneuve – A. Julan

TR : TRAVAUX DE RÉALISATION

SEMESTRE 1

ETUDE D’UNE ALIMENTATION STABILISEE LINEAIRE

PRÉAMBULE Selon la Méthode d'analyse , M. J.NEUENSCHWANDER

SYMBOLES L'alimentation étant nécessaire pour tout circuit électronique, elle est souvent représentée uniquement par un rectangle noté alimentation

FONCTIONS

Deux fonctions principales sont toujours demandées à un circuit d’alimentation : - délivrer une ou plusieurs tensions (ou courants) bien précises et souvent stables - fournir une énergie électrique avec un minimum de pertes Il peut être demandé en plus des fonctions de régulation ou de protection par exemple. De plus en plus les circuits électroniques demandent une séparation ohmique (séparation galvanique) avec le réseau de distribution ce qui implique la présence d'un transformateur.

SIGNAUX

A l'entrée: Généralement alternatif en provenance d'un réseau de distribution électrique. A la sortie: Une tension souvent continue et constante quelque soit la consommation des circuits utilisateurs. A l'heure actuelle les alimentations délivrent des tension symétriques par rapport au zéro volt (connexion de masse), +10V et -10V ou + 20V et -20V par exemple. Nous parlons dans ce cas d'alimentations fractionnées.

SCHÉMAS DE

PRINCIPE

Chaque type d'alimentation est caractérisé par son nom et un schéma de principe qui l'accompagne. Les explications fournies concernent également son principe général de fonctionnement. Dans la réalité pratique, ces schémas de principe sont complétés par toute une série de composants placés pour des raisons bien précises connues seulement des fabricants, mais pas toujours faciles à repérer pour le technicien de maintenance.

MÉTHODE DE

CONTRÔLE

L'idée est de repérer dans un circuit réel l'emplacement des composants "principaux", puis de repérer les composants supplémentaires afin d'en rechercher leur utilité ou fonction.



I° SCHEMA BLOC D’UNE ALIMENTATION I.1° Identification de la fonction « Alimentation »

La fonction alimentation fournit à un circuit électronique l’énergie électrique nécessaire à son fonctionnement.

FONCTION

ALIMENTATION

Réseau Alternatif

230V - 50Hz

Objet Technique Continu T.B.T.

Dans la plupart des cas, la fonction alimentation transforme les caractérist iques de l’énergie livrée par le réseau alternatif (EDF) pour les adapter aux conditions d’alimentation des circuits électroniques. La tension alternative du réseau (EDF) est de valeur efficace 230V. Le fonctionnement des circuits électroniques d’un objet technique nécessite en général une (ou plusieurs) alimentation(s) sous T.B.T. Très Basse Tension (en général inférieure à 24V), et en courant continu . De plus, elle possède la propriété d’être constante quelle que soit la charge appliquée.

I.2° Organisation fonctionnelle

Rôle des différentes fonctions :

……………………. ou ………………………… : permet d’abaisser la tension alternative du réseau.

…………………….. : permet d’éviter la destruction des composants du circuit électronique et/ou de l’alimentation en cas de dysfonctionnement.

…………………… : permet de transformer le courant alternatif en courant unidirectionnel.

……………….. : permet de réduire le taux d’ondulation de la tension redressée.

………………………………. : permet de maintenir une différence de potentiels continue constante quelle que soit la consommation du circuit électronique.

………………… : permet d’empêcher d’éventuelles oscillations et filtrent les parasites à hautes fréquences

………………….. : permet d’indiquer si l’alimentation est sous tension ou non



I.3° Description

A l'exception de certains moteurs et grandes machines industrielles, la plupart des circuits électroniques nécessitent des tensions (ou courants) continues. Or, la grande majorité des appareils "de table" sont raccordés au réseau électrique, nous disons dans la pratique qu'ils sont raccordés au "secteur". La tension du réseau électrique (230V alternatif, 50 Hz) impose aux circuits d'alimentation un système de redressement de la tension (ou du courant). Un transformateur peut être présent pour délivrer plusieurs tensions alternatives de diverses valeurs et effectuer une séparation galvanique. La séparation galvanique consiste à séparer le secteur des pièces métalliques du châssis de l’appareil appelé "châssis" ou "masse" de l'appareil. La séparation galvanique permet également de relier le châssis aux connexions externes de l'appareil. Il y a toujours la présence d'un premier condensateur directement à la sortie du redresseur, appelé condensateur tampon. Il empêche l'alternance redressée de descendre à 0V. Cela augmente la tension continue moyenne et diminue donc la tension d'ondulation résiduelle.

Enfin, les circuits électroniques ne se contentent pas d'une alimentation quelconque, mais demande, pour un bon fonctionnement, une tension (ou courant) continue de très grande stabilité. C'est pourquoi nous rencontrons des circuits de stabilisation ou de régulation.

Exemple d’alimentation : Formes d’onde :

SECTEUR ou SOURCE ALTERNATIVE

PROTECTION

Réseau ~ Alternatif

230V - 50Hz

Circuit électronique

= Continu T .B.T .

ADAPTATION DE TENSION REDRESSEM ENT FILTRAGE

RÉGULATION DE TENSION

FS1-1 FS1-5 FS1-4 FS1-3 FS1-2

Convertisseur Convertisseur Convertisseur Convertisseur



II° ETUDE DES DIFFERENTS BLOCS II.1° Transformateur

II.1.a Constitution

Les enroulements primaire et secondaire, placés sur un circuit magnétique commun, sont électriquement indépendants. Le circuit magnétique (noyau magnétique), qui est fermé, est constitué de tôles isolées et empilées les unes sur les autres. On dit qu’il est feuilleté, ceci pour réduire les pertes par courants de Foucault.

Ces tôles sont réalisées à partir de tôles de fer avec adjonction de silicium pour réduire cette fois-ci les pertes par hystérésis. Les enroulements sont réalisés à base de fil conducteur isolé (spires). On trouve donc au moins deux enroulements (un primaire et un secondaire). Ces enroulements sont totalement isolés entre eux. Un transformateur peut comporter plusieurs enroulements secondaires.

II.1.b Principe de fonctionnement

L’enroulement primaire est alimenté par une source de tension alternative notée U1, la plupart du temps issue du réseau (230V efficace – 50Hz). Cet enroulement primaire équivalent à une inductance L1 est alors traversée par un courant primaire I1. Ce courant alternatif créé un champ magnétique alternatif dans le circuit magnétique du transformateur. Ce champ magnétique créé alors dans l’enroulement secondaire un courant induit I2 et une différence de potentiels sinusoïdale induite U2 de même fréquence que la tension primaire.

II.1.c Le transformateur idéal

Le transformateur idéal est un transformateur sans pertes.

•••• Rapport de transformation :

Le rapport de transformation m est tel que :

N1 nombre de spires du primaire m = = = N2 nombre de spires du secondaire U1 et U2 en volts (V) I1 et I2 en ampères (A)

I1

I2

I2

I1

Flux ϕ

U2 U1

S’ E’

S E

Symboles : I1 I2

U1 U2

I1 I2

U2 U1



Remarque 1 : Le rapport de transformation peut se déterminer à partir des impédances primaire et secondaire. = = x = m2 avec U1 et U2 en volts (V) I1 et I2 en ampères (A) m = avec Z1 et Z2 en ohms (Ω) Remarque 2 : Si m < 1 alors U2 < U1 le transformateur est dit abaisseur. Si m > 1 alors U2 > U1 le transformateur est dit élévateur. Si m = 1 alors U2 = U1 le transformateur est dit d’isolement. Pour les transformateurs de type abaisseur de tension : la tension au secondaire est inférieure à la tension au primaire le primaire est relié au 230V du secteur : le fil est fin et le nombre de spires est élevé

le secondaire est relié au redresseur de tension : le fil est gros et le nombre de spires est moins important qu’au primaire

Remarque 3 : Du fait des pertes dans les enroulements et dans le circuit magnétique, le rapport de transformation en charge est légèrement inférieur à celui calculé à vide.

•••• Bilan de puissance d’un transformateur :

Sur les transformateurs du commerce, sont notés : - la valeur efficace de la tension présente au secondaire - la puissance apparente

Cette puissance apparente notée S, est la valeur du produit U.I. Elle s’exprime en Voltampères (VA). Pour un transformateur parfait, sans pertes, elle est telle que : S = S en volt-ampères (VA) U1 et U2 en volts (V) I1 et I2 en ampères (A) Remarque 1 : Pour un transformateur abaisseur : U2 < U1 et I2 > I1.

Pour avoir le moins de pertes possibles, le fil de l’enroulement secondaire à une section supérieure au fil de l’enroulement primaire car le courant est plus élevé.

Comme U2 < U1 alors N2 < N1. Il y a moins de spires au secondaire qu’au primaire. Pour la plupart des applications, l’approximation du transformateur idéal est suffisante.

Remarque 2 : Un transformateur ne fonctionne qu’avec des tensions alternatives. U1, U2, I1, I2 sont des valeurs efficaces. Remarque 3 : Le principal intérêt dans l’utilisation d’un transformateur est l’isolation électrique : isolation galvanique entre le primaire et le secondaire sécurité

Z2 U2 / I2 U2 I1

Z1 U1 / I1 U1 I2



II.1.d Le transformateur réel (voir cours TEE1) En réalité, le transformateur n’est pas idéal. Le rendement est < 1. Il existe des pertes.

Fonctionnement à vide : loi de Lenz

)()(

)( 111 tvdt

tdnte −=−= φ

)()(

)(e ; )()(

)( 2n222 tvdt

tdnttv

dt

tdnte nn =−==−= φφ

Son rôle est : - abaisser la tension au secondaire telle que :

nnn m

n

n

V

Vm

n

n

V

V−=−==−=−=

11

2

1

2

1

2 ,ation transformderapport

- assurer une isolation galvanique entre le réseau et l’utilisation.

Le calcul d’un transformateur pour une alimentation s’effectue suivant la formule de Boucherot :

nfSBV fereff max44,4= avec : • Bmax : induction maximale en teslas (dépend des tôles utilisées) donnée par le constructeur • Sfer : section du fer en m2 (associée à la puissance transmise et la qualité des tôles) • n : nombre de spires • f : fréquence du réseau

Le cahier des charges doit faire intervenir : • Le diamètre du fil, fonction de la densité du courant en A/mm2 admissible • La tension efficace primaire V1 • La tension efficace au secondaire V2 à charge nominale • La puissance apparente Ss fournie à la charge, elle s’exprime en VA • La fréquence du réseau

Caractérisation d’un transformateur réel : (cours TEE1)

• Etude du transformateur à vide : • Modèle électrique équivalent du transformateur réel : • Bilan des pertes : • Rendement d’un transformateur réel : • La plaque signalétique d’un transformateur réel :

SF

n2

n1

nn

v1(t)

Circuit magnétique

v2(t)

v2n(t)

ΦΦΦΦ

e1

e2

en



II.2° Protection amont

FU1 et FU2 permettent la protection du transformateur et du circuit amont contre les courts-circuits et surcharges violentes.

Autres composants de protection : - les VDR (Volt Dependant Resistor) : dont la résistance diminue quand la tension augmente (protection contre les surtensions, elle est placée en dérivation) - les CTP (Coefficient de Temperature Positif) : thermistance dont la résistance augmente quand la température augmente (protection contre les fortes variations de courant, elle est placée en série) - les CTN (Coefficient de Temperature Négatif) : thermistance dont la résistance augmente quand la température diminue (protection contre les fortes variations de courant, elle est placée en série)

II.3° Redressement Dans la suite de ce cours le secondaire du transformateur sera symbolisé par une source de tension alternative de valeur efficace Ve. Avant d’aborder les différents types de redressement, rappelons quelques définitions applicables aux grandeurs périodiques :

• Tension sinusoïdale :

TfettVtVtV effeff

ππωωθθω 22 avecsin2sin2)( =====

• Valeur moyenne : ∫ ∫=>=<T

dvdttvT

V0

2

0)(

2

1)(

1 πθθ

π

• Valeur efficace θθπ

πdvdttv

TV

T)(

2

1)(

1 2

0

2

0

2∫∫ ==

II.3.a Redressement mono-alternance

Synthèse : Le redresseur à une seule diode permet d’obtenir aux bornes de la charge un redressement de type mono-alternance : seules les alternances positives sont conservées .

En appliquant les formules ci-avant on obtient :

D

I1 I2

U1 VE VS charge

VD

t(s)

VS(V)

VSmax = VEmax - VD

VEmax

T/2 T 0

VE(V)

TR

240/15

VE VSINE VA=339 FREQ=50

P3 LOAD=1.0M P1

P2

R 100

FU1 FUSE

FU2 FUSE



II.3.b Redressement bi-alternance

• Avec transformateur à point milieu

Synthèse : Le redresseur à deux diodes et à transformateur à point milieu permet d’obtenir aux bornes de la charge un redressement de type double-alternance : toutes les alternances positives sont conservées et toutes les alternances négatives sont inversées .

• Avec pont de Graëtz

Synthèse : Le redresseur de type pont de Graëtz (4 diodes) avec transformateur sans point milieu, permet d’obtenir aux bornes de la charge un redressement de type double-alternance : toutes les alternances positives sont conservées et toutes les alternances négatives sont inversées .

U1

I1

I2

VE1 VS

charge

D1

VE2

A

B

D2

VD

VD

t(s)

VS(V)

VSmax = VE1max - VD

VE1max = VE2max

T/2 T 0

VE1(V) VE2(V)

t(s)

VD1(V)

VD1 invmax

T/2 T 0

VD VD

B

A I1 I2

U1 VE VS charge

D2 D1

D3 D4

t(s)

VS(V)

VSmax = VEmax – 2.VD

VEmax

T/2 T 0



• Avec pont de Graëtz et condensateur de filtrage

En jouant sur les 4 interrupteurs SW1,2,3,4 on observe l’effet d’une variation de la charge et/ou d’une variation de la capacité de filtrage sur l’ondulation de la tension de sortie Vs.

VSINE VA=21.21 FREQ=50

3 1

4

2

BR

BRIDGE C1 100u C2

500u R1220 R2

47

VS LOAD=1.0M

VE1 LOAD=1.0M

VE2 LOAD=1.0M

SW4SW-SPST

SW3SW-SPST

SW2SW-SPST

SW1SW-SPST

VEVSINE VA=21.21 FREQ=50

3 1

4

2

BR

BRIDGE C1 100u C2

500u R1220 R2

47

VSLOAD=1.0M

VE1 LOAD=1.0M

VE2 LOAD=1.0M

SW4SW-SPST

SW3SW-SPST

SW2SW-SPST

SW1SW-SPST



II.4° Filtrage

Dans le cas d’alimentation de faible puissance on utilise un condensateur seul qui réalise un lissage de la tension. Pour des alimentations de puissance plus importante on utilisera une cellule de filtrage de type L C.

II.4.a Condensateur de filtrage

Il effectue à chaque période du secteur, un échange d’énergie électrostatique entre la source redressée et la charge, cet échange obéissant aux équations différentielles suivantes :

∫=⇒== dttiC

tvdttiCdvdq )(1

)()(

Rappel : Charge et décharge d’un condensateur à travers une résistance :

Charge : )1()( RC

t

C eEtv−

−=

Décharge : RC

t

C Eetv−

=)( avec τ = RC = constante de temps

II.4.b Détermination approchée d’un condensateur d e filtrage

Prenons le cas d’une alimentation de faible puissance utilisant un redressement bi-alternance. Les éléments VE, D et C seront supposés parfaits.

Synthèse : Le filtrage d’une tension redressée utilisant un seul condensateur permet d’obtenir aux bornes de la charge une tension dont l’ondulation sera réduite

•••• Taux d’ondulation :

Après filtrage, la différence de potentiel aux bornes de la charge varie entre une valeur maximale VSmax et une valeur minimale VSmin . Sa valeur moyenne VSmoy peut être considérée comme égale à :

VSmoy ≈

L’ondulation ∆VS autour de cette valeur moyenne est :

∆VS =

Symboles : Diode

I1 I2

U1 VE UR charge

Filtrage

VS

t(s)

UR(V)

VSmax = URmax

T/2 T 0

VS(V)

VSmin

0 t(s)

UR(V)

VSmax

VS(V)

VSmin

TUR

VSmoy 2×∆VS



Le taux d’ondulation Tond de la tension filtrée peut s’exprimer sous deux formes :

Tond s’obtient à partir de l’ondulation ∆VS et de la valeur moyenne VSmoy :

Tond = = × =

Tond s’exprime en % Remarque :

Tond dépend de la valeur de la charge R, de la capacité C du condensateur de filtrage et de la période TUR de la différence de potentiel redressé (TUR = T/2 et T représente la période du secteur).

Le taux d’ondulation est d’autant plus faible que le produit R×C est grand devant la période (Tond lorsque R×C >> TUR).

Durant la décharge du condensateur, la tension à ses bornes varie de manière exponentielle. La courbe de décharge coupe l’arche de sinusoïde au point M correspondant à la tension VSmin après filtrage. Lorsque l’ondulation est faible, l’exponentielle de décharge peut être assimilée à une droite passant par les points : A (t = 0 ; VS = VSmax) et B (t = R×C ; VS = 0)

Cette droite coupe l’arche de sinusoïde au point N proche de M. Cette proximité permet de confondre ces deux points (approximation) et de tracer la droite passant par le point M.

Méthode théorique :

Le condensateur de filtrage dépend de la valeur du courant de charge I, de la période du signal redressé TUR et de l’ondulation de la tension filtrée ∆VS. La relation qui permet de déterminer C est :

I ≈ C donc C ≈ avec ∆VS =

0 t(s)

R×C

N

A

B

M

UR(V)

VSmax = URmax

VS(V)

VSmin

TUR

I × TUR

2 × ∆VS

VSmax - VSmin

2 TUR

2 × ∆VS



II.5° Régulation

Deux possibilités sont couramment utilisées pour effectuer la régulation de tension :

La première possibilité est de stabiliser la tension filtrée à l’aide d’une diode zener .

Les performances de cette alimentation sont limitées par les performances de la zener elle-même.

La deuxième possibilité est de réguler la tension filtrée à l’aide d’un régulateur de tension .

II.5.a Utilisation d’une diode zener

Le montage le plus simple utilise une diode zéner. On pourra ainsi obtenir des alimentations de très faible puissance comme le montre le schéma ci-dessous.

Symboles :

I1 I2

U1 VE UR charge

Stabilisation

UC VS

Symboles :

I1 I2

U1 VE UR charge

Régulation

UC VS

7805

R

VE VSINE

D

DIODE

VE

LOAD=1.0M

V=0

C 330u

R1 147

VS LOAD=1.0M VC

LOAD=1.0M

R2100

DZDIODE-ZEN



Les courbes ci dessus montrent les limites d’une telle régulation. La régulation est effective lorsque le courant de la diode DZ est situé au-delà du coude de zéner. En fait IZ doit être tel que :

max2max

max1

min2min

min

minmax

max1

maxmin

minmaxmin

R

VI

VVR

R

VI

VV

II

VR

II

VIII

ZZ

ZC

ZZ

ZC

SZSZZZZ

+

−>>

+

−⇒

+∆

>>+

∆⇒≤≤

Plus simplement, le choix de R1 est tel que le courant IZ ne devienne jamais inférieur au courant de coude. Si l’on connaît ISmax, en admettant VC et VZ constantes, il vient:

minmax1

ZS

ZC

II

VVR

+−

=

II.5.b Montage stabilisateur à transistor ballast

L’utilisation d’un transistor ballast réduit la résistance dynamique de l’élément régulateur et permet ainsi d’obtenir une alimentation de plus forte puissance.

On pourra éditer ce schéma et observer la régulation de Vs pour plusieurs valeurs de R2. En effet le transistor fonctionnant en régime linéaire on peut écrire :

VVVV BEZS 15=−= .

On remarquera et on expliquera les limites de cette régulation lorsque la charge augmente. Remarque : Le transistor Q est soumis à une tension Vce = Vc - Vs et parcouru par le courant de charge, il peut donc être le siège d’une puissance importante et doit donc être monté sur un dissipateur.

VE VSINEVA=21.21FREQ=50

3 1

4

2

BR

BRIDGE

R2 220

VSLOAD=1.0M VE1

LOAD=1.0M

VE2LOAD=1.0M

QNPN

DZ DIODE-ZENBV=15.7IBV=1mA

R1 1200

C 680u

VcLOAD=1.0M



II.5.c Utilisation d’un circuit intégré pour la ré gulation de tension

Ce type de composant sera l’élément principal de la carte d’alimentation à réaliser. Le principe de fonctionnement de la fonction régulation sera présenté autour du schéma

général d’une régulation de type série.

•••• Description des éléments :

• Une source de référence (REF) , fournit la tension Uref aussi indépendante que possible des variations de la tension d’entrée Ue.

• Un amplificateur d’erreur (Comparateur de tension) compare la tension de référence Uref à une partie de la tension Us pour agir sur l’organe de commande (ballast).

• Un organe de commande (Ballast) agit sur la tension de sortie suivant la commande donnée par l’amplificateur d’erreur.

•••• Fonctionnement :

A partir d’une tension d’entrée Ue, on élabore une tension de référence Uref. Cette source de tension ne débite que très peu de courant (quelques µA), elle reste constante quand la tension d’entrée et la température varient. Souvent elle est constituée à partir de diodes Zener.

Le régulateur mesure en permanence la tension de sortie Us et élabore la tension Ui, image de la tension Us. On retrouve cette tension sur la broche – de l’amplificateur d’erreur.

L’amplificateur d’erreur amplifie la différence entre Uref et Ui : - si Ui est inférieure à Uref, alors l’organe de commande va faire augmenter la tension de sortie, ce qui aura pour effet d’augmenter Ui. - si Ui est supérieure à Uref, alors l’organe de commande va faire chuter la tension de sortie, ce qui aura pour effet de diminuer Ui.

Le système réagit pour avoir Ui = Uref

La tension de sortie Us est donc constante : elle est indépendante des variations de la

tension Ue et du courant dans la charge. Exemples de circuits intégrés : 7805, 7912 , LM317, L200 …

REF

Ballast

Comparateur

R1

R2

Ue

Uref

Us +

-

RÉGULATEUR DE TENSION

Ui

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