jeudi 25 août 2011

Les alimentations continues



Tout dispositif électronique a besoin d'une tension continue pour fonctionner, cette tension peut provenir directement des piles ou des batteries, mais généralement elle est extraite du secteur à l'aide des dispositifs qui transforment l'énergie alternative en énergie continue.
Deux procédés existent généralement pour assurer cette transformation. On note ainsi:
Les alimentations stabilisées linéaires, donc la structure générale est la suivante:
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Le transformateur abaisse la tension du secteur à un niveau acceptable. Cette tension est ensuite redressée, filtrée et stabilisée.
Ce type d'alimentation est adopté aux petites puissances (S<25VA). Car lorsque la puissance augmente, il faudra utiliser un gros transformateur, ce qui est encombrant.
Les alimentations à découplage. Le synoptique est le suivant:
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Dans ce type d'alimentation, on n'utilise pas des transformateurs. La tension du secteur est directement redressée et filtrée. Un transistor fonctionnant en interrupteur a des fréquences inaudibles (f>20KHz), assure le découplage de cette tension. La tension est ensuite filtrée pour être utilisée. La tension de sortie de référence permettant ainsi la régulation.
Ce type d'alimentation est beaucoup utilisé lorsque la puissance de sortie est grande. Dans le cadre de ce cour, nous n'étdierons que les alimentations linéaires stabilisées.
On fera l'étude approfondie des synoptiques ci-dessus.



Les alimentations linéaires stabilisées

Le transformateur

Le transformateur utilisé ici est un transformateur abaisseur de tension.
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Le redressement

Grandeur caractéristique du redressement

  • La valeur moyenne de tension et du courant de sortie VS moy et IS moy
  • La valeur efficace de la tension et du courant de sortie.
  • Le facteur de forme: F = VS eff/VS moy
  • Le tau d'ondulation: B = VS ond eff/VS moy ; VS ond = VS - VS moy
    F = (1 + B2)½

Redressement mono alternance

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La double alternance à transformateur à point milieu

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Redressement double alternance à pont de Graëtz

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Le filtrage

Après le redressement, on obtient une tension continue dont l'ondulation est trop élevée. Pour diminuer cette ondulation, on fait le filtrage. Le but du filtrage est de transformer la tension redressée en une tension constante que possible. Il existe plusieurs manières d'arriver, mais la manière la plus simple d'y parvenir est de brancher un condensateur électrolytique (polarisé) en parallèle avec la charge.
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La valeur idéale de VS, VS = Vmax. Pour réduire l'ondulation, il faut augmenter la constante de temps R.C pour qu'elle soit beaucoup plus grande que la période du signal d'entré V1. Plus le condensateur sera grand, plus VS se rapprochera de Vmax, mais on ne peut pas augmenter indéfiniment le condensateur. Car plus il est grand plus il coûte chère, plus il est encombrant. Il faut donc trouver un juste milieu pour la conception. On choisit souvent une ondulation crête à crête de la tension de sortie, VS=10%
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Les doubleurs de tension

Doubleur de tension demie onde (Schenkel):

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VS = 2Vmax
A l'alternance négative D1 conduit, le condensateur C1 se charge jusqu'à la valeur Vmax.
A l'alternance positive D1 est bloquée et D2 conduit, comme V1 et C1 se trouvent en série alors le condensateur C2 va se charger jusqu'à 2Vmax. Lorsqu'on connecte la charge R il y'a une petite décharge de C2 sur R, pendant l'alternance négative qui est sans importance.

Doubleur de Latour ou doubleur Pleine onde:

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VS = 2Vmax
A l'alternance positive, D1 conduit et D2 est bloquée. Le condensateur C1 se charge à la valeur Vmax.
A l'alternance négative D2 conduit et D1 est bloquée, le condensateur C2 se charge à la valeur Vmax d'où VS=2Vmax

La stabilisation et la régulation



La tension issue du filtre a encore une ondulation assez grande, il existe donc des systèmes qui permettent de diminuer le plus possible cette ondulation et rendre la tension de sortie constante.

La diode Zener

Principe et symbolisation

Nous avons vu au chapitre précédent que si la tenson inverse aux bornes d'une diode à jonction est supérieure à VRRM le courant inverse s'accroît très rapidement. C'est le phénomène de claquage inverse.
On constate que la tension inverse aux bornes de la diode fonctionnant dans cette zone varie très peu d'où l'utilisation de cette partie de la caractéristique pour stabiliser la tension.
Une diode Zener est donc une diode à jonction spécialement conçue pour être utilisée dans la zone de claquage inverse. Son symbole est le suivant:
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Elle sera généralement polarisée en inverse dans les circuits mais elle peut aussi fonctionner en direct.

Caractéristiques d la diode Zener

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En direct, une diode Zener se comporte comme une diode ordinaire et par conséquent elles ont la même caractéristique. En inverse la diode Zener est équivalente à une source de tension constante VZ (en réalité UZ varie très peu). Il faut que E>VZ si non aucun courant ne passe dans ce circuit.
Im est l'intensité minimale au-dessous de laquelle la tension Zener n'est plus stabilisée. IM est l'intensité maximale au-dessus de laquelle on risque une destruction de la diode par échauffement de la diode par échauffement Im<IZ<IM.

Caractéristique de choix

Le constructeur donne généralement deux valeurs:
  • La puissance maximale qui peut dissiper la Zener: PM=VZ.IM
  • La tension Zener VZ

Etude des montages à diode Zener

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K ouvert calcul de RP
La valeur limite de RP qui provoquerait le courant maximal IM sera:
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Etude en charge: K est fermé
Tant que la diode fonctionne dans sa zone de claquage, le courant IG est constant et on a: IG=(E-VZ)/RP
On a également IG=IZ+IC ↔ IZ=IG-IC
On peut conclure que:
  • Le courant IZ traversant la diode diminue quand IC augmente. Ce qui arrive quand RCh. Ce qui arrive quand RCh diminue.
  • La diode Zener supporte un courant inverse maximal lorsque la charge est déconnectée (IC=0) d'où l'intérêt de faire le calcul de RP quand la charge est déconnecté ou infinie.
  • Si IC est trop élevée ceci entraîne que l'intensité IZ dans la diode risque d'être inférieur à Imin auquel cas la diode ne stabilise plus.
La condition de bon fonctionnement sera donc: IC<IM-Im avec IC=VZ/RCh
VZ/RCh < IM-Im ↔ VZ < (IM-Im)RCh
RCh > VZ/(IM-Im)

Si Im = 5mA
RCh > 9/(55,55-5)x10-3
RCh > 178,04 ↔ RCh = 220±10% - 0,5W
PRCh = V2Z/RCh = 81/220 = 0,368W

Diode Zener réelle

Modèle équivalent

Pour simplifier l'approche du problème, nous avons supposé jusqu'ici que la tension inverse restait constante sur toute l'étendue de la région de claquage. Mais en réalité, la tension UZ augmente quand IZ augmente. Le modèle équivalent d'une diode Zener est donc le suivant.
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Influence de la température

Pour les diodes Zener UZ<6V la tension Zener VZ diminue quand la température augmente.
Pour les diodes Zener donc UZ>6V la tension VZ augmente quand la température s'élève.
On définie le coefficient de température ßVZ=DVZ/DT
DVZ est la variation de VZ consécutive à une variation DT de la température.

Etude des montages stabilisateurs réels

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Deux facteurs peuvent influencer la valeur de la tension USM en aval du système les variations de la charge RC.
En amont du système, les variations de la tension E. L'influence de ces facteurs sera étudiée dans les exercices.



Régulation

Régulation à diode Zener et à transistor

Les montages à diode Zener étudié jusqu'à présent réduise considérablement l'ondulation de la tension et ont une borne de stabilisation amont mais la puissance qu’il fournit à la charge est faible (comprise entre 0,3W et 1,3W).
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Remarque

Le rendement de l'opération est faible car le transistor ballas T consomme plus de la moitié de la puissance fournie par la source.
La dissipation thermique à ses bornes sera donc importante d'où la nécessité d'adjoindre un radiateur.
On montre que: PT = (E0-VS)PCh/VS
Pour diminuer PT, il faut réduire l'écart entre E0 et VS, mais on ne peut pas réduire indéfiniment cet écart de peur de ne plus stabiliser la tension. Pour cela on est souvent amené à utiliser certains artifices.
Le montage Darlington
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NB: ß de T1 est très grande, petite puissance.
ß de T2 est très petite, grande puissance.
Les transistors de forte puissance ont un ß faible (ß<20). Les transistors ayant un ß élevé ne peuvent dissiper qu'une faible puissance. Une balance prévue pour une alimentation d'une certaine puissance doit avoir à la fois un ß élevé et une forte dissipation thermique. Le transistor Darlington permet de remplir ces deux conditions.
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Calcul de ß:
Ib = Ib1 ; IC = ßIB
IC = ß2Ib2 + ß1Ib1
Ib2 = Ie1 → Ib2 = (ß1+1)Ib1
IC = IB21+1)Ib1 + ß1Ib1
IC = ß21+1)Ib1 + ß1Ib1
IC = (ß2ß121)Ib
IC/Ib = ß = ß2ß1 + ß2 + ß1
ß = ß2ß2


Calcul de h11 = r:
r = Vb0/ib
Vb0 = r1ib1 + r2ib2 = r1ib1 + r2ie1 = r1ib1 + r21+1)ib1 = [r1 + r21+1)]ib
r = r1 + r21+1)

VBE = VBE1 + VBE1 = 1,4V
ß = ß1ß2
h11 = r = r1 + r21+1)

Montage Darlington complémentaire:

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