Alimentation des systèmes électroniques et informatiques

Joël REDOUTEY

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Alimentation des systèmes électroniques

AlimentationSourced’énergieélectrique

Charge

L’alimentation doit permettre le transfert d’énergie de la source vers la charge de manière sure, fiable, adaptée et avec un très bon rendement.

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• Réseaux alternatifs– Monophasé

• Europe : 230Veff – 50 Hz• USA : 115Veff – 60 Hz

– Triphasé• Europe : 400Veff – 50 Hz• USA : 200Veff – 60 Hz

– Avionique• 115Veff – 400Hz

Les sources d’énergie électrique

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• Piles et Batteries de faible puissance– Applications

• Téléphonie mobile• Ordinateurs portables• Radio et lecteurs audio• Éclairage

– Technologies des batteries• Plomb , NiCd , NiMH• Lithium ion

Les sources d’énergie électrique

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• Réseaux à courant continu– Générateur

• Génératrice à courant continu• Alternateur-redresseur• Panneaux photovoltaïques• Chargeur

– Batteries

Les sources d’énergie électrique

La source d’énergie primaire peut être thermique, éolienne, chimiqueou électrique.

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• Batteries– 12V automobile

– 24V Camions, tension de sécurité industrielle– 28V Avionique

– 42V véhicule électrique ( à confirmer)– 48V téléphonie

– 96V matériel roulant

Les sources d’énergie électrique

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• Grande diversité– Exemple : Informatique, radio-tv

• Multi tensions 3,3V ±5V ±12V• Circuits numériques : tension bien stabilisée,

courant variable et élevé• Circuits analogiques : tension très bien stabilisée,

très bon filtrage (signaux faibles: RF≈quelques µV, audio ≈ quelques mV)

• Courant très variable (moteurs, ventilateurs)• Haute tension

Les charges en électronique

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• Il n’y a pas d’alimentation universelle• Le choix dépend du contexte technico-

économique de l’application– Alimentations de laboratoire– Alimentations d’équipements (OEM)– Alimentations sans coupure– Alimentations spécifiques (≠ standard)– etc

• Nécessité de connaître les caractéristiques techniques de l’alimentation

Caractéristiques d’une alimentation

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Exemple de notice technique

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• Tension nominale (115v/230v commutable)• Tolérance sur la tension d’entrée (±10%)• Fréquence d’entrée (47-440Hz)• Sous tension de blocage (sécurité)• Rendement (>80%) → refroidissement• Sur intensité max à la mise en service• Facteur de puissance (PFC)• Temps de maintien (microcoupures)

Caractéristiques d’entrée

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• Tension nominale et plage de réglage• Courant maximal et plage de réglage• Puissance de sortie (régime permanent)• Protection surtension• Protection surintensité• Taux de régulation (entrée & charge)• Stabilité (temps, température)• Réponse dynamique

Caractéristiques de sortie

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• Ondulation

• Bruit et parasites de commutation

Qualité de la tension de sortie

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• Dimensions, poids, volume (W/kg W/l)• Températures de fonctionnement et de stockage• Humidité relative• Nature du boîtier (corrosion)• Tenue aux vibrations et aux chocs• Type de refroidissement• Bruit acoustique• Conformité aux normes (CE, sécurité, isolation,

CEM, RoHS, …)

Caractéristiques environnementales

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Alimentation Kepco 5V-120A

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• Isolement galvanique par transformateur• Conversion AC → DC• Régulation linéaire ou à découpage

Alimentations secteur

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Redressement - filtrage

Simple alternance

Pont

Doubleur de Latour

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230V 115V

Commutation 115V-230V

115V: doubleur de tension 230V: redresseur en pont

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Redressement va et vient

Transformateur

Nécessite un transformateur à point milieuUne seule chute de tension de diodeBien adapté aux basses tensions - forts courants

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• Exemple

Calcul de la capacité de filtrage

Transformateur 230V -15V

PONT

C R18

Tension secondaire: 14,5Veff Chute de tension dans le pont: 2VOn désire obtenir 18V avec une ondulation de 1VccEstimer la valeur de la capacité C ?

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• On suppose que le condensateur se charge instantanément à la tension crête et se décharge à courant constant I

Calcul de la capacité de filtrage

tT

Vcapa

∆VVcrête

Variation de charge ∆Q = C∆V = I T/2

C≈ IT/2∆V

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• ExempleVcrête = 14,5x1,414 – 2 = 18,5VFreq = 50Hz → T=20 ms

∆V = 1V I= 1A

C≈ IT/2∆V ≈ 20x10-3/2 ≈ 10 000 µF

Calcul de la capacité de filtrage

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Surintensité à la mise sous tension

23

Courant prélevé au réseau

24

Principe du PFC

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• On part d’une tension supérieure à la tension à réguler

• On chute la différence de tension dans un élément dissipatif

• Rendement médiocre – uniquement pour petites puissances

• Très bonne régulation - faible bruit

Principe de la régulation linéaire

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Régulation shuntRégulation shunt

V

I

Vz

R

Diode Zener

Caractéristique d’une diode zener

Vin Vout

Vin > Vout

Réservé aux très faibles puissances et à la création de référence de tension

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Régulation série

RV

référence

On utilise un transistor comme résistance variable

Vin > Vout Vout

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Exemple de régulateur série

Q2NPN

R1

Q1

NPN

D3Diode zener

R2

C1 C2RV1

R3

R4R5

Vin Vout

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Régulateurs 3 pattes

VI1 VO 3

GN

D2

78xx

Pont

C3 C4

fusible

230Veff

Interrupteur

Série 78xx : régulateurs positifs fixes de 5 à 24V 1,5A maxSérie 79xx : régulateurs négatifs fixes de -5 à -24V 1,5A max

LM317 : régulateur positif ajustable 1,5ALM337 : régulateur négatif ajustable 1,5A

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Régulation linéaire

• Très bonne régulation• Faible bruit• Circuits très simples• Rendement médiocre

• Alimentations de faible puissance• Nécessité d’une qualité de tension élevée

Régulation linéaire

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Régulation à découpage

• On fait appel à des éléments passifs capables de stocker momentanément de l’énergie (inductances et condensateurs) et à des interrupteurs servant d’aiguillage.

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• 3 topologies de base:–Abaisseur de tension (buck)–Élévateur de tension (boost)–Inverseur de tension (buck-boost)

• Sans isolement galvanique

Topologies de base

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L

Ce CsD

K

RVe Vs

Is+

-

+

-

IL

Abaisseur de tension (buck)

Vs = α Ve

L

Ce Cs RVe Vs

Is+

-

+

-

IL

L

Ce Cs RVe Vs

Is+

-

+

-

IL

Ve-Vs = Ldidt

d' où i (t) =Im +Ve-Vs

Lt i(t) = I M -

Vs

L(t - αT)

34

Abaisseur de tension (buck)

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Élévateur de tension (boost)L D

C e C s

+

-

+

-

k R

I

Vs

Is

V e

V e

Is

Vs

I

R

-

+

-

+

C sC e

L L

C e C s

+

-

I

V e

+

-

RVs

Is

Ve = Ldidt

d' où i (t) =Im +Ve

Lt i(t) = I M -

Vs - Ve

L(t-αT)

Vs =Ve

(1-α)

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Élévateur de tension (boost)

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Inverseur de tension (buck-boost)

+

-

-

+

L

DK

Ce CsIL

Is

VeVs

R

VeIL

Ce L

-

+

RVs

Is

Cs

+

- +

-

-

+

LCe CsIL

Is

VeVs

R

i(t) = I M -Vs

L(t - αT)Ve = L

didt

d' où i (t) =Im +Ve

Lt

Vs

Ve=

α

1- α

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Inverseur de tension (buck-boost)

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discontinucontinudiscontinuCourant

d’entrée

α/(1-α)1/(1-α)αVs/Ve

discontinudiscontinucontinuCourant

de sortie

InverseurÉlévateurAbaisseur

Convertisseurs non isolés

En conduction continue

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Modélisation du transformateur

Transformateur parfait

Lp

i 1 i2

n n21V V1 2

n1 i1 = n2 i2 etn2

n1=

V2

V1

41

..N2Ve

K D

N1

Ie Is

Ce CsVs

Convertisseur à accumulation

Lp

i1Ve

î1 =Ve

LpαT

Lpi1

i 2

n n 21 V2 sR

i2(t) = (n1

n2)2 αT

Lp( Vs +

n2

n1Ve ) −

Vs

Lpt

Démagnétisation complète

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Convertisseur à accumulation

Pe =1T

(12

Lp î 12

)

Ps = Vs Is =Vs

2

R

Lp

2T(

Ve

LpαT )

2=

Vs2

R

Vs

Ve= α RT

2Lp

Puissance d’entrée

Puissance de sortie

Rendement = 1

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Modulation de largeur d’impulsion

+

-Oscillateur

Vc

t

U

Vc

0 ∝T T ∝TT + 2Tt

VMLI

Fréquence fixe, rapport cyclique α proportionnel à la tension de consigne

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Convertisseur en demi pont

C1

C2

TR1

T1

T2

D3

D4

D1

D2

C3 L

CRL

* *

*

+Ve

Circuit de commandeV1

V2

V3

V4Vout

+

-

Vin

Utilisée dans les alimentations de PC

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MODELE DU TRANSFORMATEUR

LP

n2

n3

n1

* *

*

V2

V3

V1

n2=n3 n=n2/n1=n3/n1

46

Convertisseur en demi pont

47

Convertisseur en demi pont

48

Convertisseur en demi pont

49

Convertisseur en demi pont

50

Formes d’ondes

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Convertisseur en demi pont

C1

C2

TR1

T1

T2

D3

D4

D1

D2

C3 L

CRL

* *

*

+Ve

Circuit de commandeV1

V2

V3

V4Vout

+

-

Vin

V4 = n Vin / 2

F=1/T, α, ton = αT 2F, ton = αT → α’ = 2α

Conduction continue → Vout = n α Vin

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Limite de conduction continue

• Iout = ∆IL / 2

• Nécessité d’une charge minimale en sortie(voyant, ventilateur, précharge)

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Exemple de dimensionnement

Vin = 325VVout =12V Iout = 8AF = 30kHzn = 0,19

α = Vout/nVin = 12/(0,19.325) = 0,19

α = ton/T = ton. Fton = α /F = 0,19/30 000 = 6,5 µs

On fixe l’ondulation dans l’inductance: 10% du courant nominal ∆I = 0,8A

L = ton . (Vin/2 . n – Vout) /∆IL = 153µH

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Dimensionnement des diodes

n2

n3

n1

* *

*

V2

V3

V1=Vin/2

n2=n3 n=n2/n1=n3/n1

D2

D1

VR = (v2+V3) = nVin

L

VR=V2+V3=2nVin/2 = nVinVR= 0,19 . 325 = 62V

I moy = Iout/2Imoy = 4A

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LPn2

n3n1

* *

*

V2

V3V1

n2=n3 n=n2/n1=n3/n1

• Courant transistor– Courant secondaire ramené au primaire

Dimensionnement des transistors

– Courant magnétisant

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• Courant crêteIprimaire = n.(Iout + ∆I/2)Iprimaire = 0,19 . (8 + 0,4) =1,6ACourant magnétisant << Iprimaire

• Tension max = Vin = 325V

On choisira un calibre Ic = 2A Vceo = 400V

Dimensionnement des transistors

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C1

C2

T1

T2

D3

D4

D1

D2

C3L1

C4**

*Circuit de commande

+

-

D5

D6 L2C5

+12V

+5V

Vin

Régulation MLI

R2

R1

R3

Pondération

TR

Sortie multiple

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Post régulation

Exemple : 3,3V à partir du 5V dans les alims de PC

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TL494