Etude et réalisation d'une alimentation a découpage de type push-pull

Merabetmohammed.blog4ever.com

Rpublique Algrienne Dmocratique et PopulaireMinistre de la Formation et de lEnseignement Professionnels Institut National Spcialis dans la Formation Professionnelle -SETIF-

Mmoire de fin dtudesen vue de lobtention du diplme de technicien suprieur

Spcialit : Electronique Industrielle

THEME

ETUDE ET REALISATION DUNE ALIMENTATION A DECOUPAGE DE TYPE PUSH-PULL

Ralis par : Abderrezak Samir Allae-eddine

Encadr par : Mr : M. Merabet Melle: H. Tassoult

Promotion 2009

2


Je

prsente mes vifs

remerciements aux : Mr Merabet et

Melle : Tassoult qui ont su me guider tout moment pour la prparation de ce mmoire ; Egalement je veux remercier : Madame S. HADDAD, et Mr Mourad Guessoume , pour ses conseils qui ont t dun grand apport. Je tiens spcialement toute notre gratitude tous nos professeurs pour la confiance et lintrt quils nous ont tmoignes tout au long de notre formation

3


PRESENTATION DE LORGANISME1- PRESENTATION DE LENTREPRISE :

Le projet cration de lusine de fabrication de compteur t compteurs t Dcid le 12/06/1975 et sa ralisation fut LA SONALGAZ. Lusine est situe au sud-est de la ville dEL EULMA et occupe une superficie de 13 hectares dont 4.5 hectares couverts ; lusine a t conue pour rpondre de en premier lieu aux besoins nationaux en appareils de comptage. Apres la rsurrection de la socit mre SONELEGAZ, LEN AMC a t cre par Dcret (83 /633 du 05 /11/1983) et fut rattache au secteur de lindustrie lourde (M.I.L.D).elle est charge de la production, de la recherche, du dveloppement et de la commercialisation dappareils de comptage, de mesure, de rgulation et de protection ainsi que leur accessoire. Ce survol rapide de lhistoire prsente de LENAMC impose une premire halte, qui est en mme temps laboutissement dun chemin structurel savoir le passage lautonomie de lMAC lautonomie t examin favorablement en conseil du gouvernement en date du 19/03/1989. Devenue une socit par action (SPA) lentreprise publique conomique (EPE) est dote dun capital social fix 30, 000, 000DA (10/071989), 105, 000,000DA en 1993, et 770, 000,000DA actuellement.

4


2-ORGANIGRAMME GENERALE DE LENTREPRISE

DIRECTION GENERALE

DIRECTION RESSOURCES HUMAINE

DIRECTION COMMERCAILE

DIRECTION G.P.O.I

DIRECTION DIVELOPPEMENSION

DIRECTION DES FINANCES

DIVISION FLUIDE

DIVISION ELECTRICITE

DIVISION INDUSTRIEL LOGISTIQUE

DIVISION OUTILLAGE

: Division concerne par ltude.

5


3-ORGANIGRAMME DE LA DIVISIO ELECTRICITE

DIVISION ELECTRICITE

STRUCTURE PRODUCTIO N COMPTEUR S ELECTRICIT E STRUCTURE TECHNIQUE

S TRUCTURE PRODUCTION DIS JONCTEURS

CDR

STRUCTURE MAINTENANCE

STRUCTURE ACHAT : VENTE

S TRUCTURE FINANC E COMPTABILITE /

RESSOURCES HUMAINES

SERVICE FINANCE /COMPTABILITE

SERVICE RESSOURCES HUMAINE

: Service de lapplication.

6


INTRODUCTION GENERALE

Les alimentations lectriques servent adapter (transformer, stabiliser,...) lnergie dune source (le rseau, batteries,..) vers une charge. Les alimentations dcoupage se sont fortement dveloppes pour pallier les inconvnients des alimentations linaires (poids lev et faible rendement).Bien quelles soient peu visibles, elles font partie intgrale quasiment de chaque appareil lectronique (tlviseurs, ordinateurs, laboratoires, appareils de mesure, appareils mdicaux, centraux de tlcommunication). Elles constituent maintenant un march significatif en elles-mmes et selon les estimations actuelles, plus de la moiti du chiffre d'affaires des fabricants d'alimentations dans le monde provient dsormais de la vente d'alimentations dcoupage. C'est tout un mtier qui existe autour des alimentations dcoupage. Ce mmoire est constitu autour de trois chapitres. Dans le premier on a donn des rappels sur les alimentations lectriques pour bien comprendre sa structure et son fonctionnement. Le deuxime chapitre intitul : les alimentations dcoupage, consiste dcrire lopration de dcoupage ainsi son principe de base, et les diffrents types des alimentations dcoupage, et on a termin par la partie pratique o on a dtaill les tapes de ralisations avec la description du principe de fonctionnement de notre montage.

7


8


I.1. IntroductionTous les circuits lectroniques ont besoin d'tre aliments par des sources de tension continue. Dans la plupart des cas, l'amplitude de ces tensions d'alimentation doit tre de l'ordre de quelques volts ou quelques dizaines de volts (les plus courantes sont 3,3V, 5V, 12V et 15V). Malheureusement, le rseau lectrique nous fournit une tension sinusodale de 220V. Il est donc ncessaire de transformer cette tension alternative en tension continue, c'est le rle des alimentations AC/DC. Toute alimentation de ce type doit entre autres raliser un "redressement" des grandeurs lectriques, ce qui se fait en pratique au moyen d'une ou plusieurs diodes.

I.2. Structure d'une alimentation AC/DCIl existe plusieurs types d'alimentations AC/DC. Le type le plus simple (l'alimentation linaire) possde la structure suivante:

Figure I.1 : Le synoptique dune alimentation linaire

On peut diviser l'alimentation en 3 tages, remplissant chacun une fonction :

Le 1er tage a pour but de diminuer l'amplitude de la tension alternative, pour larendre compatible avec les besoins de la charge. Pour cela, on utilise un transformateur abaisseur de tension. Le transformateur a un avantage supplmentaire : il assure une isolation galvanique entre la charge et la source, ce qui garantit une certaine scurit l'utilisateur, mme en cas de dfaut de l'alimentation.

9


A la sortie du 1er tage, on a une tension (V1) toujours sinusodale, mais d'amplitude plus faible, convenant mieux nos applications.

Le 2me tage a pour but de transformer cette tension (V1) alternative en une

tension continue. Pour cela, il combine deux fonctions : le redressement et le lissage. Le redressement a pour but de transformer une tension purement alternative (sans composante continue) en une tension unipolaire (c'est dire toujours positive). Il existe deux types de redressement : le simple redressement et le double redressement. Le lissage a pour but d'attnuer la partie alternative de la tension redresse, pour rendre celle-ci principalement continue. Dans la pratique, on aura une tension V2 qui sera la somme d'une composante continue (qui est celle qui nous intresse) et d'une composante alternative (non sinusodale) rsiduelle, de faible amplitude.

Le 3me tage a pour but de rguler l'amplitude de la tension de sortie. En effet, latension V2 n'est pas parfaitement continue, de plus, l'amplitude de sa composante continue dpend de celle de la source, qui peut fluctuer fortement (10%).

I.3. Les alimentations stabilisesLa grande majorit des quipements lectroniques a besoin dune source de courant continu qui peut tre une pile ou une batterie, mais qui gnralement est constitue dun circuit transformant le courant alternatif du secteur (220V, 50Hz) en courant continu : lalimentation stabilise. Les circuits lectroniques courants ont gnralement besoin dune tension de +5V quand il sagit de circuits logiques TTL, les transistors fonctionnent sous des tensions 9, 12 ou 24V. Quant aux amplificateurs oprationnels, ils ncessitent souvent une alimentation de +15 et 15V. Le rle dune alimentation continue est de fournir les tensions et courants ncessaires au fonctionnement des circuits lectroniques avec le minimum dondulation rsiduelle et la meilleure rgulation possible. Elles doivent,

10


de plus, souvent limiter le courant fourni en cas de surcharge ainsi que la tension continue quelle dlivre, ceci afin de protger les composants fragiles. Il existe des moyens divers pour produire une tension continue stable partir dune tension alternative , deux mthodes seulement sont frquemment employes : 1. La stabilisation linaire. 2. La stabilisation par dcoupage. Toutes deux ont leurs avantages et leurs inconvnients. Lalimentation dcoupage sutilise essentiellement dans le domaine des puissances de 100W et plus. Une alimentation est un montage transformant la tension alternative du secteur en une tension continue basse tension. Une alimentation secteur est compose dun transformateur, dun redresseur, dun filtre. On remarque que la majorit des alimentations utilises en lectronique de puissance utilise des transistors Ballast. La puissance a dissip dans le transistor ballast est importante ce qui rduit considrablement le rendement de lensemble. En effet le transistor fonctionne en linaire. Ds que la puissance utiliser dpasse les quelques dizaines de Watts le transistor est utilis en commutation .Dans ce cas La frquence de fonctionnement du transformateur n'est plus impose par le rseau mais elle est impose par le transistor, avec les transistors bipolaires elle peut atteindre les 50 KHz. Alors quavec les transistors MOS elle peut atteindre les 150 KHz.

I.4. Lalimentation stabilise, constitution et fonctionnement I.4.1. Le transformateurUn transformateur est un appareil statique induction remplit deux fonctions : isolement galvanique entre lquipement et le secteur ; transformation de la tension alternative du rseau, dtermine par le rapport entre le nombre de spires (tours) du secondaire et du primaire.11


I.4.2. Le redresseurConvertit la tension alternative du secondaire du transformateur en impulsions unidirectionnelles du courant. Pour introduire cette notion de redressement il faut tout dabord introduire la notion de diode parce que tout simplement le redressement seffectue laide des diodes. La diode est une jonction PN matriau semi-conducteur qui impose le sens du courant dans la branche o elle est installe. Cest un interrupteur non command. On dit alors que la conduction de la diode est unidirectionnelle. Pour caractriser cette dernire il suffit de prciser son courant direct maximal (Idmax) et sa tension inverse maximale Vinvmax. Il existe plusieurs types de diodes sur le march (Tunnel, Schottky, Varicap,...), chacune delle possde ses propres caractristiques. La diode est alors un composant qui laisse passer le courant dans un sens et pas dans lautre. On nutilise plus aujourdhui quun montage : le redressement double alternances ou onde entire par pont de Graetz. Le pont de Graetz est constitu de quatre diodes disposes en losange. Il existe des ponts de diodes intgrs, cest dire que lon a moul les quatre diodes dans un seul botier. Ce bloc est plus facile utiliser mais a un inconvnient. Lorsquune des diodes moules est dfectueuse, il faut changer lensemble.

I.4.3.

Le filtre

Il sert lisser le courant redress brut fourni par le redresseur sous forme de tension pulse. Sur nos matriels de faible puissance on utilise des filtres capacit dentre (condensateur), celle-ci servant de stockage pour les impulsions dbites par le redresseur. Le filtrage seffectue laide des capacits de filtrage. Un condensateur est form de deux surfaces conductrices rapprochs mais spares par un isolant (dilectrique). Lorsque ce dispositif est soumis une diffrence de potentiel, des charges de signes diffrents vont saccumuler sur les 2 surfaces, sans pouvoir circuler entre les 2 plaques. Le condensateur est caractris par sa capacit C, unit : le Farad. On utilise dans la pratique le milli Farad (mF), le microfarad (F), le nanofarad (nF), le picofarad (pF).

12


Plusieurs types de condensateurs se trouvent sur le march, dont on site quelques-uns : * Les condensateurs cramiques : Ce sont les condensateurs les plus utiliss sur le

march surtout dans le secteur de tlcommunication. Cest dire en hautes frquences. Ces condensateurs prsentent des excellentes performances ainsi quune grande stabilit thermique. Ce sont des dilectriques constitus dune plaquette ou dun tube recouvert sur chaque face dune fine couche daluminium. * Les condensateurs lectrolytiques chimiques : Ce sont des condensateurs

polariss et qui possdent de grandes valeurs de capacit. Ce type de condensateur est spcifi par une anode recouverte dune bande dAluminium grave. Ils possdent une mauvaise stabilit thermique et une mauvaise prcision.

I.5. Approfondissements des composantsDtaillons un peu le fonctionnement des alimentations, avec les composants principaux qui les composent. On commence avec l'arrive du 220 V dans l'alimentation.

I.5.1. Protections I.5.1.1. FusibleLe premier lment de scurit indispensable est un fusible F1 qui protgera le rseau d'une dfaillance de l'alimentation, Il sautera au cas o un court-circuit venait se produire au dcoupage notamment. Dans ce cas, le courant appel devient extrmement lev et le fusible fond pour ne pas surcharger le rseau.

13


Figure I.2 : Protection par fusible

I.5.1.2. Le varistor

Figure I.3 : Protection des surtensions par le varistor

On continue dans la scurit avec un varistor (MOV : Metal Oxide Varistor), not S1, qui protge l'alimentation des surtensions brutales qu'il peut y avoir si jamais la foudre venait s'abattre pas loin par exemple. En temps normal, cet lment a une trs grande rsistance lectrique, le courant de fuite qui le traverse est donc ngligeable et rien ne se passe. Par contre, lorsque la tension augmente brutalement au del d'un certain seuil, sa rsistance chute d'un seul coup et il "court-circuite" alors directement l'entre. Comme il est capable d'absorber une grosse nergie durant la fraction de seconde que dure le phnomne, il vite que la haute tension n'endommage le reste du systme. Ca ne remplace pas un vrai systme parasurtenseur mont en amont de l'alimentation, mais c'est une scurit supplmentaire qui peut s'avrer utile dans certains cas.

14


Figure I.4 : Photo relle dun varistor

I.5.2. Filtre antiparasites

Figure I.5 : Protections et filtres

On trouve juste derrire les lments de protections plusieurs filtres pour empcher les parasites hautes frquences gnrs de remonter vers le rseau pour le polluer. Sur le schma, on a 2 filtres T1 et T2 avec les condensateurs associs C1, C2 et C3, mais il peut y en avoir 3 pour encore plus d'efficacit. La filtre T1 s'occupe des interfrences dites en mode commun et T2 s'occupe de celles en mode diffrentiel. On ne s'talera pas sur les diffrences qui sont lies au sens de parcours du courant dans certains fils et aux interactions interlignes. Le but est de bloquer les hautes frquences grce des

15


condensateurs et des ferrites d'antiparasitage qui font office de barrire. Ils produisent trs peu de pertes pour le rendement final.

Figure I.6: Le composant Filtre

I.5.3. Redresseurs

Figure I.7 : Le bloc de redressement

On peut ensuite redresser la tension alternative sinusodale avec un pont de diodes tout simple pour la rendre continue en mettant toutes les alternances du mme ct. Son fonctionnement est amlior quand il y a un dcoupage car le courant est bien sinusodal et volue en douceur. Quand il n'y a pas de dcoupage, le courant arrive en pics et les diodes doivent encaisser cette brutalit. Ca dissipe quelques watts pleine charge cause de la chute de tension invitable des diodes (~0.7 V). En sortie, on obtient du 325 V continu non liss , sinon directement l'tage de dcoupage en passant

16


par un ou deux gros condensateurs suivant la manire choisie pour dcouper. Ces condensateurs serviront lisser la tension et stocker de l'nergie pour le dcoupage.

Figure I.8 : Pont de diodes redresseur

I.6.ConclusionDans le domaine des alimentations, les technologies voluent. Les alimentations traditionnelles sont constitues partir dun transformateur enroulements spars, assurant en plus de la conversion de tension. Lamlioration de la technologie dcoupage associe dune baisse des cots en font une alternative intressante par plusieurs points. Nous allons voir cette technologie dans le chapitre qui suit.

17


18


II.1. IntroductionUne alimentation dcoupage est un convertisseur Continu / Continu. Celui-ci est beaucoup utilis dans l'lectronique, TV, Ordinateur, .... Une alimentation dcoupage hache une tension redresse et filtre des frquences leves, ce qui permet l'utilisation de transformateurs beaucoup plus petits que les alimentations conventionnelles, une isolation galvanique, un transfert de la quasi totalit de la puissance de la source la charge... Les alimentations dcoupage permettent d'obtenir une tension continue rglable partir du secteur. Elles sont de faible poids, faible volume et offrent un bon rendement (90%).

II.2. Pourquoi du dcoupage ? II.2.1. Principe de baseUne alimentation pour ordinateur est un systme complexe qui doit tre capable de fournir plusieurs tensions de manire rgule (3.3, 5, 12 et -12 V actuellement).

Les alimentations basse tension du type chargeur ou petit transformateur pour console, tlphone, etc. abaissent le 220 V alternatif quelques volts l'aide d'un transformateur, le redressent grce un pont de diodes, le lissent grce un condensateur et le rgulent (pas toujours le cas) pour fournir du 12 V continu par exemple. C'est un systme simple de ce type :

19


Figure II.1 : alimentation linaire

Le problme c'est que le rgulateur linaire, qui agit comme une rsistance variable s'occupant de maintenir ce 12 V en sortie quelles que soient la tension d'entre et la charge applique, occasionne une chute de tension (on passe de 15 12V par exemple). Celle-ci gnre donc des pertes et une puissance thermique qu'il faut vacuer.

Le rendement d'un tel systme est trs mauvais (25-50 %) car on dissipe beaucoup d'nergie inutilement, mais il est suffisant pour de trs petites puissances car c'est trs peu cher fabriquer. Nanmoins, on emploie de plus en plus du dcoupage pour optimiser et rduire normment la taille de ces adaptateurs. Si on utilisait ce genre de systme linaire pour alimenter un PC qui demanderait 300 W, il faudrait consommer pas loin de 900 W pour que le systme fonctionne, avec une diffrence de 600 W qui partirait en chaleur. En 50 Hz, il faudrait un gros transformateur, pesant pas loin de 10 kg, pour tre capable de fournir 300 W, en plus des 600 W de pertes induites par la rgulation, qu'il faudra bien dissiper....

Il faut donc trouver une solution beaucoup plus efficace et c'est l que le dcoupage intervient. Pour faire simple, une alimentation dcoupage transforme le 230 V alternatif en 325-400 V continu, puis hache cette tension haute frquence pour en faire un train de fines impulsions (dure = ~0.00001 seconde), dont la moyenne lisse et filtre donnera les tensions ncessaires en sortie. Voici l'explication en images :

20


Figure II.2 : tensions haches

Le rapport cyclique (duty cycle en anglais) est le rapport entre le temps de conduction et le temps d'une priode (conduction+blocage) de la forme en crneau. Si on hache du 10 V avec un rapport cyclique de 50 %, on obtient du 5 V en moyennant le signal obtenu. Si on hache ce 10 V 25 % maintenant, on obtiendra du 2.5 V et ainsi de suite. Il suffit de calculer le bon rapport entre le temps de conduction et la valeur de la tension dcouper pour avoir ce que l'on souhaite en sortie.

II.3. Comment dcoupe-t-on une tension ?Pour dcouper la tension, on n'utilise rien d'autre qu'un interrupteur qui va s'ouvrir et se fermer trs rapidement. Cet interrupteur lectronique est un transistor (technologie bipolaire ou MOSFET) que l'on pilotera tout simplement en ouverture et en fermeture (rgime de commutation). Le processus se fait une frquence de plus de 20 kHz pour tre au dessus des frquences audibles par l'homme. En gnral, on se trouve entre 32 et 100 kHz, mais a peut monter beaucoup plus haut vers le mgahertz suivant l'application. C'est d'ailleurs ce que l'tage d'alimentation d'un processeur fait en21


dcoupant le 12 V prs de 500 kHz pour sortir une tension stabilise entre 1 et 2 V avec un trs fort courant, quelles que soient les conditions.

Pour viter les pertes inutiles, il suffit simplement de ne pas d'avoir la tension et le courant en un mme point au mme instant. Ici, l'interrupteur n'a que deux tats, soit il laisse passer le courant (tat passant) soit il l'empche de passer (tat bloqu), donc thoriquement la tension et le courant ne sont jamais prsents en mme temps. Quand le transistor est bloqu, le courant qui le traverse est nul et quand il est passant, la tension ses bornes est nulle (toujours en thorie). En ralit, le transistor n'est pas parfait et occasionne des pertes son ouverture et sa fermeture car ce n'est pas instantan (pertes par commutation) et aussi lorsque le courant le traverse car il a une rsistance trs faible mais pas nulle (pertes par conduction).

Au final, les pertes occasionnes aux transistors en rgime de commutation sont quand mme infiniment plus faibles qu'en rgime linaire pour le rgulateur. Voici l'illustration du phnomne dcrit au dessus :

Figure II.3 :Allures du courant et de la tension aux bornes du transistor

Pour rduire les pertes au maximum, une alimentation dcoupage utilisera donc des lments non dissipatifs (en thorie) du genre transformateur, inductance, interrupteurs lectroniques, condensateurs. Alors qu'un systme linaire permet un rendement de 25-50 %, les meilleures alimentations dcoupage (tous domaines22


confondus) permettent d'atteindre 70 95 %

Le fait de dcouper haute frquence est important car plus on dcoupe vite, plus on peut ragir vite face aux sollicitations extrieures, plus on manipule de petites quantits d'nergie et plus on peut rduire la taille des composants. Pour un transformateur, sa taille est inversement proportionnelle sa frquence d'utilisation. C'est pour cela qu'on trouve des monstres (transformateurs toriques trs lourds) dans les amplificateurs audio pour viter le dcoupage car a implique de filtrer les nombreux parasites gnrs (a cote cher). On peut aussi rduire la valeur des condensateurs et l'encombrement des autres lments car on travaille sur de toutes petites quantits en un temps donn. A 50 Hz, un petit transformateur suffit fournir une grosse puissance sans problme. Les alimentations dcoupage permettent alors d'avoir des puissances volumiques en W/cm3 (rapport puissance/encombrement) trs leves car les lments ne prennent pas trop de place et on peut sortir des grosses puissances.

A priori, le dcoupage apparat donc comme une solution idale, mais il a des inconvnients notables au niveau de la compatibilit lectromagntique notamment. Outre le fait que ce soit bien plus complexe et plus cher faire qu'une alimentation linaire, le dcoupage engendre un tas de parasites et une ondulation qu'il est impratif de filtrer en sortie. Dcouper trs vite gnre des pics et des variations ultra rapides de la tension et du courant, et qui dit variations rapides dit interfrences et rayonnements lectromagntiques. Ces parasites prennent la forme d'interfrences

lectromagntiques (EMI en anglais pour Electromagnetic Interference) rayonnes ou rinjectes par conduction dans les fils vers le rseau. Il faut absolument les contenir et les attnuer pour viter de polluer l'environnement lectrique proche.

Pour le premier type, le chssis en acier agit comme un blindage pour attnuer les missions radiofrquences qui peuvent perturber la rception de la TV ou de la radio par exemple. Le deuxime type est plus compliqu grer car il faut mettre en place des filtres en ligne pour les absorber. Ces filtres sont videmment prsents dans les

23


bonnes alimentations et souvent de manire incomplte dans les alimentations bas de gamme pour rduire les cots. Ils protgent aussi bien l'alimentation du bruit lectrique qui circule sur le rseau, que le rseau des parasites hautes frquences gnrs par le dcoupage, a marche dans les 2 sens.

II.4. Alimentations dcoupageElles sont appeles ainsi du fait du fonctionnement du transistor de puissance en rgime de commutation. Le principe de l'alimentation dcoupage rside dans la self. Un condensateur voit la tension ses bornes augmente lorsqu'il est aliment par un courant continu positif. De mme lorsque le courant s'annule, la tension dcrot progressivement. Pour une self, c'est presque la mme chose, sauf que lorsqu'une tension est soumise ses bornes le courant crot progressivement, c'est la charge. Et effet inverse lorsque la tension s'annule, c'est la dcharge. Les avantages d'une alimentation dcoupage sont les suivants : Il est possible de produire une tension de sortie suprieure ou infrieure la tension d'entre. Il est possible de produire une tension de sortie de polarit inverse celle de l'entre. Il est mme possible de produire plusieurs tensions de sortie au prix d'une petite complexit supplmentaire c'est dire d'une ou plusieurs selfs supplmentaires.

II.5. Principe gnral de l'alimentation dcoupageLe secteur alternatif est redress puis filtr. La tension continue obtenue est "dcoupe" par un ou plusieurs interrupteurs (transistors bipolaires ou MOS). Ce dcoupage s'effectue en gnral des frquences suprieures une vingtaine de KHz (au del des frquences audibles) jusqu' quelques MHz. Le transfert d'nergie de l'entre vers la sortie, se fait par l'intermdiaire d'une inductance ou d'un

24


transformateur qui stocke l'nergie sous forme magntique puis la restitue au rythme du dcoupage. La rgulation de tension se fait par action sur le temps de conduction de(s) l'interrupteur(s). Puisque l'interrupteur fonctionne en commutation, les pertes du montages sont faibles. Elles se dcomposent en pertes de conduction et pertes de commutation. Elles seront beaucoup plus faibles que dans le cas d'une alimentation fonctionnant en linaire. Par ailleurs, plus la frquence de dcoupage sera leve, plus les dimensions de l'inductance ou du transformateur pourront tre rduites. On gagnera ainsi en encombrement. Le synoptique de la partie puissance est donn sur la figure II.4.

Figure II.4 : Principe de fonctionnement des alimentations dcoupage. Les lments fondamentaux utiliss dans une alimentation dcoupage sont : Redresseur + Filtre directement connects au rseau (secteur). Transformateur dimpulsion (isolation galvanique entre le rseau et

lutilisateur), pilot au primaire par un interrupteur commandable (transistor) fonctionnant une frquence

Redresseur + Filtre en sortie.25


II.5.1. Remarque importante :Le choix dune frquence est li deux impratifs :

- Une frquence plus faible (entre 100Hz et 15kHz) correspondrait au spectre audible. Ces alimentations deviendraient trs pnibles pour loreille humaine. - Plus la frquence de dcoupage fd sera grande, plus le condensateur de filtrage de ltage de sortie pourra tre de faible capacit. En effet cette capacit, associe une rsistance, joue un rle de filtre passe-bas ayant pour fonction de transfert :

II.5.2. Points forts et points faibles des alimentations dcoupage. II.5.2.1. Points forts- Le transformateur travaille une frquence f rseau 50Hz, il est donc de dimension rduite. - Le transistor de puissance fonctionne en rgime de commutation (VCE 0 et IC pour ltat on ;IC = 0 pour ltat off ; soit P = VCE IC 0 et prsente des pertes rduites.d

20 kHz trs suprieure celle du

Donc : Le dissipateur associ est de faibles dimensions, do un gain en volume et en masse. Le rendement de lalimentation est suprieur 80 % (contre 60 % maximum pour les alimentations linaires).

26


II.5.2.2. Points faibles- Elles sont moins simples mettre en uvre que les alimentations linaires. - Une ondulation rsiduelle due au dcoupage subsiste en sortie , la stabilit relative se situe entre 10-2 et 10-3. - Elles sont perturbatrices pour lenvironnement lectrique et lectronique, les parasites rayonns sont importants du fait du dcoupage.

II.6. Types des alimentations dcoupageComme vu prcdemment, le principe des alimentations dcoupage est ses interruptions et sa self. Pour raliser cette fonction, diffrentes possibilits sont concevables.

II.6.1. Alimentation type "Buck"Tous les montages portent des noms anglais. Ce type est le montage le plus rpandu. Leur rle est de fournir une tension de sortie plus faible et de mme polarit que la tension d'entre. Quand l'interrupteur se ferme, la self emmagasine de l'nergie, la charge est alimente, la diode bloque. Quand l'interrupteur s'ouvre, L fournit une tension inverse ce qui fait conduire la diode, dans le mme temps C se dcharge dans la charge. Dans ce type de montage la tension de sortie est uniquement dpendante de la tension d'entre et du rapport cyclique. Si l'on appelle "k" le rapport cyclique (rapport du temps de fermeture sur temps d'un cycle), la tension de sortie vaudra : Vout = Vin . k

27


Figure II.5 : Alimentation "Buck"

II.6.2. Alimentation type "Boost"Lorsque l'interrupteur se ferme, le courant d'entre circule directement la self. Pendant ce mme temps la charge est, elle, alimente par le condensateur qui a t charg au cycle prcdent. La self ainsi, accumule de l'nergie. Si l'interrupteur s'ouvre, le courant continue circuler dans la self et traverse maintenant la diode et charge le condensateur de sortie sous une tension suprieur celle d'entre. Cette lvation est produite car lorsque l'interrupteur est ouvert, la diode se trouve en srie avec la tension d'entre. Il y a donc une lvation de tension.

Figure II.6 : Alimentation "Boost"

28


II.6.3. Alimentation type "flyback"Il ressemble comme deux gouttes d'eau un montage Buck, cette diffrence que la self y est substitue par un enroulement de transformateur et qu'intuitivement on imagine bien que le rapport de transformation ait une influence sur la tension de sortie. On retrouve ce type pour toutes les petites alimentations de la classe 100 VA. Cette alimentation souffre d'un dfaut inhrent sa conception qui fait que l'nergie n'est stocke que pendant le temps de conduction de l'interrupteur.

Figure II.7 : Alimentation "flyback"

II.6.4. Alimentation Push-PullCe type dalimentation permet de transfrer des puissances importantes avec un excellent rendement du fait de son cycle magntique symtrique (linduction B dans le CM est tantt positive, tantt ngative). La famille des alimentations Push-Pull est divise en trois :

Push-Pull double primaire avec point milieu.29


Push-Pull demi-pont (deux sources de tension continue ncessaires). Push-Pull pont complet. La figure II.8 dcrit le principe de lalimentation Push-Pull demi-pont.

Figure II.8 : Alimentation Push-Pull demi-pont.

II.6.5. Autres types de montagesLes diffrents montages vus font partit des principaux rencontrs. Il en existe bien sur beaucoup d'autres. Le tableau suivant essaye de classer quelques montages selon leurs caractristiques.

30


Tableau 1: Diffrents types de montages et leurs caractristiques principales

II.6.6. Choix du principeEn pratique, le choix du principe sera fix par la puissance de sortie de lalimentation : Flyback : P S 100 qq W

Remarque : Du fait de la mise en oeuvre difficile des interrupteurs dans les structures Push-Pull (commutation de deux ou quatre interrupteurs rapides de forte puissance), les alimentations de forte puissance (>100 qq W) sont parfois ralises avec des structures asymtriques (Forward ou Flyback) associes en parallle.

31


II.7. Conclusion :Les alimentations dcoupage sont lgres et peu encombrantes. Elles ont un excellent rendement. Par contre leur stabilit est moyenne ou mdiocre.

Elles sont donc trs utilises en lectronique embarque (lgret, rendement) ou simplement pour leur excellent rendement lorsque la stabilit nest pas une caractristique essentielle.

32


33


III .1. IntroductionLe projet que nous avons ralis est une alimentation de type Push-Pull conue autour d'un TL494 et prvue pour fonctionner sur une batterie 12V. Elle utilise plusieurs composants existent dans une alimentation dun ordinateur, notamment le transformateur principal. Le transformateur est rebobin suivant le besoin. Le routage de celle-ci permet d'obtenir une tension de sortie allant de 15V 70V. L'alimentation de type Push-Pull n'a que des avantages, entre autre pas de temps mort contrairement une Fly-Back. Le seul inconvnient est le bobinage du transformateur qui est plus complexe. L'alimentation pourrait dlivrer 300 W. La seule limitation provient des radiateurs monts sur les transistors. La conception de cette alimentation fait qu'elle ne fonctionne pas vide (intensit du courant dbit 250 mA au minimum).

III.2. Etude du circuit intgr TL494Pour rguler la tension, nous utilisons un circuit intgr appel TL494 . Voici le schma de cblage ainsi le diagramme bloc du TL494 :

34


Figure III.1 : Brochage du TL 494.

Figure III.2 : Diagramme bloc du TL 494

_ Les broches 1 et 2 sont les entres de lAOp1 (Amplificateur Oprationnel) dont la sortie va au comparateur.

35


_ Les broches 3 et 4 sont appeles Tests Inputs . Elles seront relies la sortie du hacheur. _ Les broches 5 et 6 sont les entres de loscillateur, elles sont constitues dune rsistance et dun condensateur. Ce qui nous permet de fixer le rapport cyclique du signal de sortie du TL494, soit la frquence. Nous la calculerons avec la formule donne par le constructeur, soit Fosc = 1.1 / (Rt x Ct ) . _ La broche 7 est appele GND ce qui signifie Ground , soit la masse en franais. _ Les broches 8 et 11 sont nommes C1 et C2 sont relies aux transistors du hacheur boost, cest donc notre signal de sortie. _ Les broches 9 et 10 nommes E1 et E2 sont relies la masse. _ La broche 12 est la tension Vcc , soit notre +15 Volts. _ La broche 13 est appele Output Ctrl ce qui signifie Output Control et est relie la broche 14 qui est une tension de rfrence. _ Les broches 15 et 16 sont les entres de lAOp2 (Amplificateur Oprationnel) dont la sortie va au comparateur. Il existe plusieurs solutions ; nous pourrions utilises des circuits quivalents au TL494 qui ont les mmes fonctions telles que le MB3759, TA76494, KA7500B, IR3MO2, XR-494.

III.3. Description du fonctionnementLe montage est aliment par une batterie de 12V. Le primaire du transformateur est constitu de deux enroulements. Le fonctionnement se dcompose en quatre tapes : A. Q1 est satur, Q2 est bloqu. L'enroulement primaire bas est aliment. B. Les deux transistors sont bloqus, c'est une phase rcupration. C. Q2est satur, Q1 est bloqu. L'enroulement primaire haut est aliment. D. Les deux transistors sont bloqus, c'est une phase rcupration.

La priode de 33 s est termine, on repasse la phase A.

36


Figure III.3 : Schma du hacheur

Le rle des deux rsistances R12 et R10 est de bloquer les deux transistors si le montage est sous-tension. La cellule R4/C5 permet de limiter le dV/dt lors des commutations, ce qui permet de dissiper une moindre puissance dans les transistors. Les rsistances R13 et R16 ne sont en place que pour vrifier le fonctionnement du montage avec un oscilloscope avant l'implantation du transformateur (il reste un effet capacitif avec ces valeurs). Les condensateurs C12 et C16 ralisent un bon dcouplage qui permet l'essai du montage sur une alimentation stabilise. Le chronogramme suivant reprsente la tension entre lenroulement primaire du transformateur et la masse.

37


Figure III.4 : Chronogramme sur le primaire du transformateur

On peut remarquer lorsque le transistor bloque, la surtension provoque par les diffrentes inductances que constituent le circuit (cette inductance est complexe car

elle intgre

l'inductance du primaire, celle du secondaire, celle de fuite du

transformateur, celle du transistor, celle ventuelle du circuit imprim). Cette surtension, si elle n'est pas matrise peut provoquer la destruction du transistor, ou des diodes du secondaire.

Sur un niveau bas, le transistor est satur ( VDS = 0V). Sur un niveau haut, le transistor est bloqu. On se retrouve avec deux fois la tension batterie aux bornes du transistor.

III.4. tude du schma de la rgulationSur un TL494 , on a deux AOP (pattes 1,2 et 15,16). L'un des AOP est utilis pour asservir les tensions et l'autre pour les diverses protections. Pour savoir quel AOP fait quoi, il suffit de regarder laquelle des pattes 1 ou 16 est la fois rlie la sortie par l'intermdiaire d'un jeux de rsistances/condensateurs. Sur notre alimentation,

l'asservissement en tension se fait sur l'AOP 1 (pattes 1,2). Le schma de principe de l'asservissement en tensions est prsent par la figure suivante.

38


Figure III.5 : Schma de principe de l'asservissement en tensions Le chronogramme qui suit reprsente le signal de sortie destin commuter l'un des transistors de puissance.

Figure III.6 : Chronogramme du signal de sortie du TL 494

39


Les pertes lors des commutations des BUK555 taient dans ce cas beaucoup trop importantes. Cest pour a quon attaque ce signal par des inverseurs-triggers de Schmitt du circuit (74LS14) qui assurent de la bonne qualit (fronts raides) des signaux transmis, comme le montre l'oscillogramme suivant :

Figure III.7 : Oscillogramme la sortie du 7414

Le fait d'utiliser ces inverseurs permet de diminuer le temps de commutation des transistors.

III.5. La tension de sortie :La tension de sortie est rgle l'aide de l'ajustable R7 19 V. L'oscillogramme cidessus reprsente la tension d'ondulation. Point G du schma. Calibre de l'amplitude 5V / division.

40


Figure III.8 : La tension de sortie sur loscilloscope

III.5.1. Calcul de la tension de sortieLa tension de sortie de l'alimentation est obtenue l'aide d'un comparateur dont l'entre moins (broche 2 du TL494) est porte 5V par la tension de rfrence (broche 14 du TL494). La tension de sortie est rinjecte sur l'entre plus du comparateur (broche 1 du TL494) par le pont diviseur constitu de R14, R14B / R7, R15. La tension de sortie est donne par la formule : Vout = Vref x [ 1 + ( R14 + R14B) / ( R7 + R15 ) ]

Si on s'arrange pour que l'ensemble R7 + R15 soit ajust la valeur de 5 k, en considrant les valeurs de R14 et R14B en kilo-ohms : Vout = 5 + R14 + R14B Ce qui dans notre cas donnerait Vout = 5 + 6,8 + 6,8 = 18,6 V Et donc 19 V aprs rglage.

41


III.6. Schma global de la carte dalimentation

Figure III. 9 : Schma lectrique du montage

42


III.7. ralisation du typonLes oprations ncessaires pour raliser le typon sont :

III.7.1. Saisie de schma :On schmatise le montage en utilisant le logiciel Eagle. On effectue alors les connections ncessaires entre les diffrents composants qui sont prsents dans la bibliothque du logiciel ensuite on passe lopration suivante.

III.7.2. Ralisation du circuit imprim III.7.2.1. Linsolation :Cette tape consiste retirer la pellicule protectrice de la carte et la sensibiliser laide dune source dultraviolet Linsolation est la deuxime tape pour la ralisation du projet. Elle consiste lexposition de lensemble typon plus carte poxy la lumire ultraviolette. Ce qui permet de laisser lempreinte du clicher sur la face cuivre de la carte du circuit imprim. Plus la dure dexposition est grande plus lempreinte est claire et prcise mais il ne faut pas en abuser Une longue exposition peut dtruire la plaque. Lors de cette tape il faut prendre plusieurs prcautions savoir la dure dexposition la lumire U.V .et la prsence dune lumire externe vu la sensibilit de la couche cuivre tout rayonnement.

III.7.2.2. La rvlationCest une tape semblable au processus de dveloppement dans les labos de photographie, on plonge la plaque aprs exposition de cette dernire la lumire U.V dans un bain rvlateur qui permet de protger les parties non expos aux U.V contre lattaque de la solution de soude NaOH. Une fois la rvlation termine on retire la plaque et on rince abondamment leau.

43


III.7.2.3. GravureLa plaque peut tre grave avec des solutions acides habituellement utilises, dans notre cas cette tape consiste une gravure dans un bac contenant du perchlorure de fer et agitant continuellement de 15 25 minutes.

III.7.2.4. Le circuit imprim

Figure III. 10 : Typon du montage ( cot cuivre )

III.8. Etape de constructionCette tape consiste au perage de la carte selon son dimensionnement et la nature de la carte et des composants .Le perage est ralis par une perceuse qui prsente une mche de diamtre adquat en assurant une vitesse de rotation suffisante pour que les trous ne soient pas pratiquement rigoureux ainsi la bonne fixation de son support.

44


Le deuxime lment de cette tape consiste la mise des composantes sur la plaque ou soudure. La qualit du soudure est remplie avec la quantit dtain qui doit tre suffisante pour fixer les pattes de la composante et en mme temps pas trop pour quil nait plus apparition de phnomne dantenne ou de courants sautant et tincelles entre les pistes.

III.9. ConclusionDans ce travail, on a essay de prsenter les diffrentes tapes ncessaires pour la ralisation dune alimentation dcoupage de type Push-pull. La premire partie a t consacre bien connatre le fonctionnement du montage et identifier les diffrents composants utiliss. La deuxime a t consacre pour expliquer le fonctionnement de notre alimentation. Ensuite, la troisime pour expliquer la ralisation pratique du montage.

45


46


CONCLUSION GENERALE

L'alimentation dcoupage est l'une des alimentations les plus utiliss aujourd'hui. N'importe quel PC possde une alimentation capable de dbiter 250 ou 300W en occupant un volume infrieur une alimentation linaire classique.

Les structures dalimentation dcoupage telles que nous lavons ralis dans notre projet, sont en fait directement drives de la structure des alimentations stabilises, o lon aurait cherch minimiser les deux inconvnients principaux des alimentations dites linaires : la taille et le poids du transformateur le mauvais rendement d la puissance dissipe dans le rgulateur. Le but de notre travail est d'tudier une alimentation dcoupage de type "Push-Pull" et mesurer ses performances. Ce type dalimentation est

aujourd'hui frquemment utilis dans les systmes basse tension aliments partir de piles ou batteries.

47


48


BIBLI OGRAPHIE

Les convertisseurs de llectronique de puissance Chapitre 3, LA CONVERSION CONTINUE CONTINUE (2me dition) Auteurs : Robert Bausire, Francis Labrique, Guy Seguier

Sites WEB : www.abc electronique.com Etude D'une Alimentation Stabilis, Ben Amor Imed, www.imedbenamor.dk3.com http://www.iai.eivd.ch/users/mcn/Electronique_de_puissance/Chap6.pdf http://pagesperso-orange.fr/doumai/index.htm

49

Etude et réalisation d'une alimentation a découpage de type push-pull

Documents

Transcript of Etude et réalisation d'une alimentation a découpage de type push-pull