Actuellement, l’énergie électrique est produite et transportée principalement sous forme de courant alternatif. Les deux avantages de l’utilisation du courant alternatif sont les suivants : Premièrement, à l’aide des transformateurs, il est aisé d’élever ou d’abaisser les tensions avec un très bon rendement. A cause de ces facilités de transformation, on utilise, pour transporter et distribuer l’énergie électrique, des courants alternatifs triphasés de haute et moyenne et moyenne tension qui peuvent être adaptés aux besoins des usagers : industries lourdes, ateliers, résidences, etc. Deuxièmement, les alternateurs, qui sont des générateurs de courant alternatif, peuvent produire directement des tensions plus élevées que celles pouvant être produites les générateurs de courant continu (dynamos).

De manière générale, on entend par alimentations électroniques, les montages permettant de fournir des tensions et courants continus (de valeur moyenne non nulle), ou des tensions et courants alternatifs ; à partir de sources d’énergies elles mêmes continues ou alternatives. C’est le domaine de la conversion d’énergie. Il existe quatre (4) types de convertisseurs dont les principes se retrouvent dans les alimentations.

 

1. Convertisseurs AC → DC (redresseurs simples ou commandés) :
   A partir d’une tension alternative, en générale sinusoïdale (secteur), on obtient une tension redressée de valeur moyenne non nulle. Les applications à faible puissance sont :

   • alimentation à tension et courant continu ;

   • alimentation de petits moteurs à courant continu ;

   • redresseur pour accumulateur ;

   • etc.

   Une partie du courant alternatif est transformée en courant continu à l’aide de redresseurs qui sont des dispositifs ne laissant passer le courant que dans un seul sens. Le courant continu est indispensable dans de nombreuses applications :

   • l’alimentation de dispositifs électroniques tels que les amplificateurs, les oscillateurs, les récepteurs de radio et de téléviseurs, etc.

   • la charge des accumulateurs ;

   • l’électrolyse utilisée dans l’électrochimie, l’électrométallurgie (fabrication de l’aluminium, affinage des métaux, chromage, nickelage, galvanoplastie) ;

   • l’obtention de champs magnétiques constants avec des électroaimants (grues électromagnétiques, etc.)

   Le courant continu est également utilisé pour l’alimentation de moteurs à vitesse variable, de moteurs à traction (trains, métro). Il peut être aussi employé pour le transport de l’énergie sur de grandes distances, pour le transport dans des câbles sous-marins et souterrains et pour accorder des réseaux électriques dont les fréquences ne sont pas identiques.

2. Convertisseurs DC → DC (hacheurs) :
   A partir d’une tension continue (de valeur moyenne non nulle), on obtient une tension et un courant également continus (de valeur moyenne non nulle). Les applications à faible puissance sont :

   • alimentation à découpage ;

   • alimentation pour petits moteurs à courant continu ;

   • alimentation de solénoïdes (actionneurs linéaires, moteurs pas à pas) ;

   • etc.

3. Convertisseurs AC → AC (gradateurs, cycloconvertisseurs) :
   A partir d’une tension alternative, en générale sinusoïdale (secteur), on obtient une autre tension alternative de valeur efficace variable, à fréquence fixe (gradateur) ou à fréquence variable (cycloconvertisseurs). Les applications à faible puissance sont :

   • prérégulation des alimentations continues ;

   • alimentation des moteurs alternatifs de puissance réduite ;

   • variation d’éclairage ;

   • etc.

4. Convertisseurs DC → AC (onduleurs assistés ou autonomes) :
   A partir d’une tension continue (secteur redressé et filtré, ou batterie), on obtient une tension alternative impulsionnelle ou quasi sinusoïdale. Les applications à faible puissance sont :

   • certains éléments des alimentations à découpage ;

   • les petits groupes de secours ;

   • alimentation de moteurs alternatifs à fréquence variable ;

   • etc.

 

Sources d’alimentations à tension continue.

Une Sources d’alimentations à tension continue est un générateur fournissant une force électromotrice (f.é.m) continue constante, éventuellement réglable, et possédant une impédance interne négligeable. Comme sources d’alimentation à tension continue, on peut citer les générateurs chimiques tels que les accumulateurs et les piles. Ces sources d’énergie électrique permettent le fonctionnement des appareils portatifs dont la consommation est relativement faible. Cependant, leur prix élevés par rapport aux autres formes de distribution de l’énergie électrique et la nécessité de les changer ou de les recharger constituent les principaux inconvénients. C’est d’ailleurs pourquoi, pour obtenir du courant continu, on préfère transformer le courant alternatif produit par le réseau de distribution, ce à l’aide des redresseurs statique.

Performance d’une alimentation

Les deux premiers éléments caractérisant une alimentation sont :

• La nature de la source (secteur, batterie, …) ;

• La tension et le courant de sortie.

Si on ne s’en tient qu’à ces seuls paramètres, une multitude de schéma de réalisation est alors possible, entraînant une différence énorme de prix de revient. Cela tient compte des critères suivants : la stabilité relative, le rendement maximal, la fiabilité et durée de vie, la nuisance électromagnétique, la sécurité.

a. La stabilité relative

Elle traduit la pureté de la grandeur de sortie. Elle est généralement définie en fonction des paramètres perturbateurs qui sont :

• L’ondulation du filtrage ;

• La variation de la tension de source ;

• La charge (out put régulation) associée à l’impédance interne de sortie ;

• La température (out put voltage change with temperature) ;

• Le vieillissement (out put voltage long term drift) ;

• Le bruit en sortie (out put noise voltage)

b. Le rendement maximal η = P_Smax/P_f.

Où P_Smax est la puissance maximale fournie par l’amplificateur et P_f celle fournie à l’alimentation

c. La fiabilité et la durée de vie

La fiabilité est la probabilité d’un produit de remplir une fonction, sans défaillance, pour une durée déterminée

d. Nuisance électromagnétique (domaine de la CEM : compatibilité électromagnétique)

Certaines alimentations sont souvent source de parasites électromagnétiques dont la propagation se fait par rayonnement (comme pour une antenne) et par conduction le long des fils d’alimentation, d’utilisation et de commande. Ces parasites sont néfastes pour les récepteurs radio, les récepteurs de télévision, les circuits électriques fonctionnant à faible niveau, les circuits numériques (microinformatique, etc…), etc. Lorsqu’un circuit perturbe sa source, il n’en tient qu’au concepteur de prévoir une limitation efficace des parasites. Par contre, lorsque les perturbations atteignent d’autres appareils, une réglementation est imposée par des organismes nationaux et internationaux. Citons la CEI (Commission Electrotechnique Internationale) ; la CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques. La norme C91100 de l’UTE (Union Technique de l’Electricité) fournit les textes officiels relatifs à la perturbation de la radiodiffusion et de la télévision contre les troubles parasites d’origine industrielle. D’autres textes sont relatifs aux décharges électrostatiques, aux champs électromagnétiques, aux protections contre les foudres, etc…. Globalement, l’antiparasitage d’une alimentation perturbatrice s’effectue de deux manières : soit par blindage électromagnétique relié correctement à la terre ; soit par filtrage en aval des circuits commutateurs.

e. Sécurité

L’alimentation représente l’interface entre le secteur et l’utilisation. Comme pour les nuisances électromagnétiques, les organismes (CEI par exemple) fournissent des normes reparties suivant les applications envisagées (industries, médecine, grand publique,…). Ces normes sont imposées par la DBT (Directive Basse Tension). Les différents points de sécurités concernés sont : la tension d’isolement entrée – sortie (en général 2KV) ; la résistance d’isolement sous une tension donnée ; le choix des composants (boîtier métallique et non plastique dans un milieu inflammable) ; la fiabilité (dans le domaine biomédical) ; etc…

Classification des alimentations

Les alimentations stabilisées à tension continues peuvent être classées, d’après leur utilisation, en deux grandes familles.

• Les alimentations de laboratoire. Elles sont conçues pour être utilisées sur table, possèdent, pour la plupart, un panneau avant comportant des boutons de commande et des appareils de lecteur de la tension et du courant. Elles possèdent des réglages séparés de courant et de tension et peuvent fonctionner soit à tension constante soit à courant constant.

• Les alimentations d’équipement (châssis ou modulaire). Ce sont des dispositifs généralement montés à l’intérieur d’équipement électronique. Elles fournissent, à partir du secteur, la ou les tensions continues requises pour alimenter les différents circuits tels que l’alimentation d’un électrocardiographe, d’un échographe, d’un respirateur, d’un ordinateur, etc. On distingue les alimentations modulaires et les alimentations châssis

Par ailleurs, en tenant compte de leurs structures, on distingue deux grandes familles d’alimentations stabilisées :

• Les alimentations à régulation linéaire (Linear regulation)

• Les alimentations à découpage (switching regulation)

a. Les alimentations linéaires

Dans la régulation linéaire, un transistor de puissance, appelé ballast, maintient la tension de sortie constante en dissipant de l’énergie.

Ces alimentations sont appelées ainsi à cause du fonctionnement linéaire du transistor ballast (fonctionnement hors saturation et hors blocage) ; ce transistor est commandé soit par une tension stable (alimentation stabilisée), soit par un amplificateur différentiel (alimentation régulée). Ces alimentions comprennent trois (3) parties essentielles : le redresseur, le filtre et le régulateur.

• Le redresseur permet d’obtenir, à partir d’une tension sinusoïdale abaissée par le transformateur, une tension unidirectionnelle pulsée.

• Le filtre permet d’obtenir une tension continue sensiblement constante à partir de la tension unidirectionnelle pulsée fournie par le redresseur.

• Le régulateur permet de maintenir une tension continue stable indépendante des perturbations telles que les variations de la tension du secteur ou les variations de la résistance de charge.

Les sources d’alimentation stabilisées peuvent aussi posséder des circuits de protection contre les surtensions et les surintensités.

Le schéma fonctionnel d’une alimentation linéaire est donné à la figure ci-dessous et les fonctions des différents blocs dans le tableau ci-dessous

b. Les alimentations à découpage

Dans la régulation à découpage, le transistor fonctionne en tout ou rien (bloqué-saturé) et transfère plus ou moins d’énergie à une bobine qui la stocke momentanément sous forme d’énergie magnétique. La régulation de la tension de sortie se fait en agissant sur le rapport cyclique (rapport de la durée de conduction sur la période de découpage).

Ces alimentations sont appelées ainsi à cause du fonctionnement non linéaire du transistor de puissance (fonctionnement en commutation). Elles ont été mises sur le marché au cours des années 70. Elles utilisent entre autres un ou plusieurs interrupteurs fonctionnant à des fréquences comprises entre 20 et 200kHz.

Pour réaliser une alimentation continue, on peut partir d’une alimentation déjà existante comme une batterie d’accumulateur, ou du secteur 220V/50Hz. Dans le premier cas la liaison est directe entre la source existante et celle réalisée. Par contre, il faut une isolation galvanique entre le réseau alternatif et la sortie continue dans le second cas. Nous distinguerons donc : les alimentations à découpage non isolées, les alimentations à découpage isolées et quelques alimentations spécialisées.

1. Les alimentations à découpage non isolées (issues d’une source continue)
   
   Elles assurent une conversion continue – continue et sont parfois nommée « Hacheurs ». Ces alimentations partent d’une source continue déjà existante, que nous nommerons UE. Elles débitent dans une charge résistive RU. Elles mettent en jeu principalement trois composants :

   • Un transistor T fonctionnant en commutation (découpeur), à une fréquence f et un rapport cyclique α réglable. C’est souvent un MOS de R_ON faible.

   • Une bobine stockant et libérant de l’énergie magnétique

   • Une diode de roue libre D assurant la continuité du flux magnétique dans la bobine

   Un condensateur, de capacité suffisante, est câblé en sortie, aux bornes de R_U, afin de limiter les ondulations de la tension de sortie. On choisira C de telle que :

   R_U*C >> T

   Le rapport cyclique α est fixé par un oscillateur PWM, commandé par l’écart entre une tension de référence et une image de la tension de sortie, l’ensemble constitue une boucle de régulation. Sur une période de découpage, nous supposons T passant de 0 à αT (tON) puis bloqué de αT à 0 (tOFF).

   Afin de simplifier l’analyse de fonctionnement, nous idéaliserons les composants :

   • Tension nulle aux bornes du transistor conducteu

   • Seuil de conduction de la diode de roue libre négligeable

   • Bobine ramenée à sa seule inductance L (hypothèse plausible au vu de l’ordre de grandeur de la fréquence de découpage)

   Les alimentations à découpage non isolées permettent ainsi d’abaisser, d’élever ou d’inverser une alimentation continue

2. Les alimentations à découpage isolées (issues du secteur)
   
   Le secteur est préalablement redressé, filtré puis découpé au primaire d’un transformateur. Ces alimentations comportent une isolation galvanique, réalisée par un transformateur en régime impulsionnel, à une fréquence de plusieurs dizaines de kHz. On distingue :

   • Les alimentations asymétriques (Fly back, Forward), pour lesquelles le flux magnétique dans la carcasse est unidirectionnel

   • Les alimentations symétriques (Push-Pull demi pont, pont complet), pour lesquelles le flux dans la carcasse est alternatif. Ces alimentations nécessitent 2 ou 4 interrupteurs

   La commande de l’interrupteur est assurée par un oscillateur PWM, lui-même commandé par l’écart entre une tension de référence et une image de la tension de sortie. Cette boucle doit également comporter une isolation galvanique

3. Quelques alimentations spéciales telles que les alimentations à pompe de charge

A priori, il existe deux régimes de fonctionnement pour les alimentations à découpage :

• Le régime de conduction continu : Pour lequel le courant ne s’annule jamais dans la bobine.

• Le régime de conduction discontinu : Pour lequel il y a démagnétisation totale de bobine dans une période.

Seul le régime de conduction continue est intéressant dans la pratique. Nous nous placerons donc dans cette hypothèse.

Comparaison des deux types d’alimentation

a. Alimentations linéaires

Avantages

• Facilité de mise en œuvre

• Très bonne stabilité des tensions (ou courant) de sortie (de l’ordre de 10-4)

• Peu perturbatrices (parasites rayonnés et conduits, en général négligeables)

Inconvénients

• Elles sont lourdes et encombrantes ; le transformateur, travaillant à basse fréquence (50Hz), est lourd et volumineux. Ensuite, le transistor dissipe une puissance P = VCE.IC = (VE-VS) qui impose l’utilisation d’un dissipateur (radiateur) encombrant.

• Elles ont un faible rendement.

b. Alimentations à découpage

Avantages

• Elles sont légères et peu encombrantes. D’une part, le transformateur, travaillant à haute fréquence (f_d ≥ 20KHz), est dimension relativement réduite. Rappelons la relation de Boucherot pour un circuit magnétique fonctionnant en régime sinusoïdal. U_eff=4,44.Bmax.S.n.f avec Ueff en V, n le nombre de spires, S en m2, B en tesla (T). On remarque que si f augmente, S et n diminuent. Il en est de même pour un régime impulsionnel. La haute fréquence de fonctionnement diminue aussi la capacité (donc la dimension) du condensateur de filtrage. D’autre part, le transistor de puissance, fonctionnant en commutation, présente des pertes réduites ; le dissipateur associé est alors de faible dimension

• Elles ont un rendement excellent

• Dans le cas d’une alimentation issue d’une source continue, l’un des avantages indéniables des alimentations à découpage est qu’elles peuvent soit abaisser, soit élever, soit inverser la tension d’entrée. Ce qui n’est pas possible avec les alimentations linéaires issues de sources continues (tension d’entrée toujours supérieure à celle de sortie)

Inconvénients

• Elles sont difficiles à mettre en œuvre

• Elles présentent une ondulation résiduelle relativement élevée (stabilité relative se situant entre 10^—2 et 10^-3)

• Elles sont perturbatrices (parasite rayonnés et conduits importants

Ainsi, le choix d’un type d’alimentation est obligatoirement fonction de l’utilisation et du prix de revient.

Les alimentations à découpage sont utilisées chaque fois que l’on veut gagner en poids et en place sans trop de contrainte de stabilité relative et de susceptibilité électromagnétique des fonctions environnantes (alimentation des consoles informatiques, des ordinateurs, des téléviseurs, des appareils portables ; etc) ; ou que l’on veut générer des tensions supérieures ou inverse à la tension continue existante (alimentation 6V→ 12V ; 5V → ± 15V, …).

Quant aux alimentations linéaires, elles sont utilisées chaque fois que l’on veut des tensions hautement stabilisées ou de réalisation ultra simple (alimentation de laboratoires, alimentation des circuits logiques, etc…)

Le tableau comparatif des deux types d’alimentation est donnée ci-dessous.

 

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2016-10-22 21:13:54 / mazoughou@magoe.gn