Alimentation des sytèmes
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Alimentation des systèmes électroniques et informatiques
Joël REDOUTEY
2
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.
3
• 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
4
• 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
5
• 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.
6
• 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
7
• 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
8
• 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
10
• 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
11
• 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
12
• Ondulation
• Bruit et parasites de commutation
Qualité de la tension de sortie
13
• 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
14
Alimentation Kepco 5V-120A
15
• Isolement galvanique par transformateur• Conversion AC → DC• Régulation linéaire ou à découpage
Alimentations secteur
16
Redressement - filtrage
Simple alternance
Pont
Doubleur de Latour
17
230V 115V
Commutation 115V-230V
115V: doubleur de tension 230V: redresseur en pont
18
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 ?
20
• 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
21
• 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
22
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
28
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
30
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
31
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)
36
Élévateur de tension (boost)
37
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
38
Inverseur de tension (buck-boost)
39
discontinucontinudiscontinuCourant
d’entrée
α/(1-α)1/(1-α)αVs/Ve
discontinudiscontinucontinuCourant
de sortie
InverseurÉlévateurAbaisseur
Convertisseurs non isolés
En conduction continue
40
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
42
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
43
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
44
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
51
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
56
• 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
57
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
58
Post régulation
Exemple : 3,3V à partir du 5V dans les alims de PC
59
TL494