1 classification des alimentations isolées

Pour alimenter les circuits électroniques on a besoin d'alimentations continues régulées basse tension . Le plus souvent ces alimentations reçoivent l'énergie du réseau monophasé. On a alors besoin d'un transformateur pour adapter la tension et pour isoler l'alimentation du réseau.

Plusieurs types de montage peuvent être utilisés :

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1.1 Alimentation linéaire

La tension réseau est adaptée par le transformateur puis redressée et filtrée; le régulateur série donne une tension de sortie continue indépendante du courant débité.

Les avantages de ce type de montage sont :

v     simplicité de réalisation et coût faible

v     tension de sortie d'ondulation négligeable et de valeur régulée

v peu de rayonnement parasite

Les inconvénients sont :

v     valeur élevée du condensateur de filtrage (de l'ordre de 1 000 µF pour un débit de 1 A)

v     transformateur volumineux et lourd : un transformateur 220/12V - 30 VA pèse environ 500 g et a un volume de 150 cm³.

v     faible rendement : pour fonctionner correctement, le régulateur série requiert une chute de tension V_e-V_s de l'ordre de 3 V.

Si nous avons V_s = 5 V et I_s = 1 A, la puissance fournie à la charge est P_s = 5 W. A l'entrée du régulateur la tension est V_e = 8 V et le courant voisin de I_s donc la puissance à fournir est

P_e= 8 W; le rendement du régulateur est donc h_r = P_s/P_e soit 62,5 %; en comptant les pertes dans le transformateur et le redresseur, le rendement global ne dépasse guère 50 %.

Les puissance mises en jeu étant souvent faibles, ce mauvais rendement n'affecte pas fortement la consommation des appareillages; mais il est gênant lorsque l'alimentation se fait à partir de batteries ou de piles car cela limite la durée de fonctionnement et en raison de la puissance à dissiper dans le régulateur nécessitant un radiateur encombrant.

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1.2 Alimentation à découpage isolée côté réseau

Pour améliorer le rendement, le régulateur série peut être remplacé par un régulateur à découpage; dans ce cas, le transistor du régulateur ne fonctionne plus en régime linéaire mais en commutation avec des pertes faibles et un rendement voisin de 1. Cela nécessite de filtrer de nouveau la tension après le découpage. La régulation de la tension est assurée par la commande du hacheur.

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Le principal avantage réside dans un rendement de 80 à 90 %, ce qui rend ce type d'alimentation intéressante pour des puissances de quelques centaines de watts.

Les inconvénients sont :

v     Structure plus complexe

v     transformateur volumineux et lourd : un transformateur 220/12V - 30 VA pèse environ 500 g et a un volume de 150 cm³.

v     Nécessité de deux filtres l'un en basse fréquence (100 Hz) l'autre en haute fréquence (10 à 100 kHz).

v     Ondulation résiduelle en sortie plus élevée que pour le régulateur linéaire

v     Génération de parasites HF dus au découpage

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1.3 Alimentation à découpage isolée côté charge

Le transformateur est placé après l'élément de découpage haute fréquence. Si nous utilisons la relation de Boucherot V= 4,44.n.S.f.Bmax liant la tension efficace par enroulement V à la fréquence f de fonctionnement, aux nombres de spires n et à la section S du circuit magnétique, nous voyons que l'augmentation de la fréquence permet de diminuer le volume du transformateur. En multipliant la fréquence par 1 000, nous pouvons diviser par 1 000 le produit n.S. Ainsi un transformateur pour une alimentation 30 W fonctionnant à 100 kHz pèse moins de 20 g soit 25 fois moins qu'un transformateur de même puissance fonctionnant à 50 Hz.

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La tension du réseau est redressée et filtrée; la tension continue obtenue est découpée à haute fréquence pour être transmise par le transformateur assurant l'isolement et l'adpatation de tension; la tension secondaire doit être filtrée avant d'être appliquée à la charge. La régulation de la tension de sortie est assurée par la commande de l'élément de découpage.

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Les avantages de ce montage sont :

v     dimensions et poids faibles

v     rendement de l'ordre de 80 à 90 %

v     possibilité de fonctionnement avec une tension réseau variant dans une large plage, par exemple de 110 à 230 V.

v     possibilités d'obtenir simultanément plusieurs tensions de sorties par exemple +5 V, +15V et - 15V.

Les inconvénients sont

v     structure complexe

v     nécessité d'un élément de découpage supportant une tension élevée de l'ordre de 300 V

v     nécessité d'un filtrage BF et d'un filtrage HF

v     ondulation de la tension de sortie plus élevée que pour une alimentation linéaire

v     rayonnement HF et transmission de composantes HF dans le réseau nécessitant l'emploi d'un filtre de ligne pour ne pas polluer le réseau.

  Ce type d'alimentation est utilisé pour des montages nécessitant un faible encombrement et un bon rendement (systèmes embarqués)ou pour des puissances élevées ( jusqu'à 5 kW).

Nous étudierons dans les chapitres suivants les structures et le fonctionnement de ce type d'alimentation.

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1.4 Classification des alimentations à découpage

Les structures d'alimentation à découpages sont très diverses; on peut cependant distinguer deux grandes catégories :

Ø      les alimentations asymétriques : dans ces alimentations le flux dans le transformateur a toujours le même signe. Le transformateur est alimenté au primaire par un hacheur non réversible comportant un seul interrupteur commandé. Le courant du hacheur étant toujours de même sens, durant la conduction de l'interrupteur, on magnétise le transformateur. Il faut donc assurer la démagnétisation du circuit magnétique pour éviter la saturation. Cette démagnétisation peut se faire par la charge ou par un circuit de démagnétisation dissipant l'énergie magnétique ou la renvoyant à la source.

Ø      les alimentations symétriques : le transformateur est alimenté par un onduleur créant un flux alternatif. Il faut donc au moins deux interrupteurs commandés au primaire et il faut imposer un flux moyen nul pour éviter la saturation.

Les montages asymétriques sont plus simples à réaliser mais n'utilisent qu'un quadrant du cycle d'hystérésis. Les montages symétriques plus complexes utilisent mieux le circuit magnétique donc permettent à puissance égale de réduire les dimensions du transformateur.

Par rapport à un montage asymétrique, un même transformateur peut fournir de 30 à 40 % de puissance supplémentaire dans un montage symétrique.

Le fonctionnement en HF du transformateur et des composants de filtrage nécessite l'emploi de composants spécifiques que nous allons sommairement décrire.

2 circuits magnétiques hautes fréquences

2.1 Matériaux

En haute fréquence, nous ne pouvons utiliser les tôles magnétiques usuelles des transformateurs; ces tôles permettent un champ magnétique élevé de l'ordre de 1 tesla mais possèdent un cycle d'hystérésis large et une résistivité moyenne; les pertes magnétiques massiques par hystérésis et par courants de Foucault sont de la forme :

; pour  f = 50 Hz et B_max = 1 T, les pertes massiques par hystérésis sont de l'ordre de 1,5 W/kg et celles par courant de Foucault de l'ordre de 0,5 W/kg . Pour la même induction et à f ' = 1 kHz, les pertes deviendraient : ph = 30 W/kg et pcF = 200 W/kg

Même en réduisant B_max à 0,1 T on aurait des pertes de 820 W/kg à 20 kHz. Ces tôles ne peuvent donc convenir pour des bobinages HF.

On utilise de la ferrite, matériau à cycle d'hystérésis étroit et à très forte résistivité.

Ces matériaux permettent d'avoir des pertes de 20 à 30 W/.kg  pour B_max  = 0,1 T et f = 100 kHz.

La ferrite est un matériau composé d'oxydes métalliques principalement de l'oxyde de fer Fe₂O₃ (45 à 55 %) et des oxydes de zinc, nickel, manganèse … en proportions variables suivant les applications. Ces oxydes sous forme de poudre sont agglomérés sous forte pression avec des liants et moulés pour former des circuits de formes diverses : bâtonnets, tores, noyaux en U ou en E, pots …

Le circuit obtenu, très dur et cassant, est difficile à usiner après fabrication par exemple pour tailler un entrefer. Cette opération est réalisée en usine.

2.2 Caractéristiques magnétiques des ferrites

La caractéristique magnétique B(H) de la ferrite à l'allure de la fig.4 (Document Philips).

Les propriétés magnétiques des ferrites sont décrites par:

Ø      la perméabilité initiale ,pente de la tangente à l'origine de la caractéristique magnétique pour B < 1 mT et un circuit sans entrefer; elle varie de 1 00 à 15 000 suivant les matériaux.

Pour un matériau donné, µ_i varie avec la fréquence; elle est constante jusqu'à un fréquence dite de coupure variant de 100 à 500 kHz puis diminue (document Philips fig.5) :

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µ_i varie aussi avec la température : elle est quasi constante jusqu'à environ 100 °C puis double environ entre 100 et 200 °C; au dessus de cette température dite de Curie, la perméabilité devient très faible et le matériau perd ses propriétés ferrimagnétiques (fig.6, document LCC). Cette perméabilité est utilisée pour des circuits soumis à de petites signaux alternatifs.

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Ø      la perméabilité effective µ_e est définie comme la perméabilité initiale pour des circuits avec entrefer; on a

Ø      la perméabilité d'amplitude  définie pour un point (H;B) de la caractéristique magnétique situé dans la zone de saturation ( B > 300 mT); elle est utilisée pour des circuits soumis à des signaux de forte amplitude (fig.7, document LCC)

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Ø      la perméabilité réversible , pente de la tangente au point (H_o;B_o) de la caractéristique magnétique, est utilisée pour le calcul des inductances de filtrage; dans ce cas, le courant magnétisant à une composante continue qui polarise le circuit au point (H_o;B_o); pour l'ondulation, l'inductance du bobinage est fonction de la perméabilité réversible.

Soit l_i la longueur d'un élément du circuit magnétique de section S_i, la constante géométrique du circuit magnétique est , la somme étendue à tous les éléments en série le long d'une ligne de champ fermée, son facteur de perméance est c_p = µ_o/c et l'inductance spécifique A_L = c_p.µ_rev.

Cette inductance spécifique est celle d'une bobine n'ayant qu'un spire; pour une bobine de n spires, l'inductance sera L=n^².A_L.

Les caractéristiques constructeurs donnent pour chaque circuit la valeur de A_L en fonction des ampères-tours et de l'entrefer éventuel.

2.3 Circuits magnétiques disponibles

Les circuits magnétiques disponibles peuvent avoir des formes diverses suivant les applications :

3 bobinages hautes fréquences

Les bobinages imposent d'examiner quatre éléments : le choix des conducteurs, l'isolement, le couplage entre les enroulements et le rayonnement d'ondes parasites.

3.1 Conducteurs

Lorsqu'un conducteur est parcouru par un courant haute fréquence, la propagation de l'onde électromagnétique crée une effet de peau : le courant circule uniquement dans une couche superficielle d'épaisseur d :

Cette modification des lignes de courant réduit la section effective du conducteur donc augmente la résistance et les pertes par effet Joule.

L'épaisseur de peau est donnée en fonction de la fréquence par la formule , r étant la résistivité du conducteur et µ sa perméabilité. Pour le cuivre, on obtient : ; nous en déduisons la valeur de l'épaisseur de peau 9,9 mm à 50 Hz et  0,22 mm à 100 kHz.

Pour un conducteur cylindrique de rayon r, l'effet de peau ne modifiera pas la répartition des lignes de courant si d > r.

Par exemple 1 m de fil de cuivre de rayon r = 0,6 mm  ne présente pas d'effet de peau à 50 Hz; sa résistance est alors R = r.L/S avec S =p.r^² = 1,13 mm^² soit R = 17,5 mW.

A 100 kHz, le courant ne passe que dans une peau d'épaisseur 0,22 mm. La section utile du conducteur est alors S_u =p.[r^² - (r-d)^²]= 0,68 mm^² = S/1,67; la résistance devient 1,67 fois plus grande.

Pour éviter l'augmentation des pertes par effet de peau, il faut soit

v     diviser le conducteur en brins isolés électriquement; le fil ainsi obtenu est appelé fil de Litz; le rayon de chaque fil doit être inférieur à l'épaisseur de peau et le nombre total de fil est fixé par la section totale du conducteur.

Par exemple si on veut faire circuler un courant de 10A à la fréquence f = 100 kHz, on doit prendre des brins de rayon inférieur à 0,22 mm. En prenant d = 2.r = 0,315 mm, la section de chaque brin est s = 0,234 mm²; si on veut une densité de courant de 4 A/mm^², la section totale est de 10 / 4 = 2,5 mm^² soit n = 2,5 /0,234 =  32 brins

v     utiliser du conducteur plat ou feuillard; la section effectivement utilisée pour conduire le courant est de l'ordre du périmètre de la section du conducteur multipliée par l'épaisseur de peau; pour une même section, ce type de conducteur plat a un périmètre plus élevé et une faible épaisseur donc l'effet de peau est peu sensible; l'épaisseur du conducteur doit être inférieure à 2 fois l'épaisseur de peau pour que le courant circule dans toute la section; pour réaliser le conducteur de l'exemple ci-dessus, on peut prendre du feuillard d'épaisseur 0,3 mm et de largeur 2,5/0,3 = 8,3 mm.

3.2 Isolement

Les bobinages doivent être isolés de la carcasse magnétique; un espace de 4 mm est suffisant pour un transformateur fonctionnant sur le réseau 230 V; il faut également isoler le primaire et le secondaire par du ruban isolant en terphane.

3.3 Couplage entre enroulements

Pour minimiser les inductances de fuites donc les surtensions induites dans les alimentations à découpage, il faut un couplage aussi serré que possible; pour cela, on peut :

v     bobiner ensemble ("2 fils en main") les enroulements ne nécessitant pas d'isolement important : bobinages primaires ou bobinages secondaires

v     entrelacer le primaire et le secondaire en plaçant le secondaire entre deux demi-bobinages primaires.

3.4 Rayonnement

Pour éviter le rayonnement de champs parasites ( pollution électromagnétique par rayonnement), on peut soit utiliser des circuits magnétiques en forme de pots ou placer des écrans de blindage autour de chaque bobinage, cet écran étant relié au potentiel du bobinage.

4 condensateurs hautes fréquences

Un condensateur admet le modèle équivalent de la fig.9 :

v     C est la capacité théorique

v     R_p est la résistance parallèle de fuites

v     L_s est l'inductance série des connexions et de la structure interne du condensateur

v;    R_s est la résistance série (ESR = Equivalent Serial Resistor) modélisant les résistances des contacts et des électrodes, les pertes diélectriques dans l'isolant.

Si on néglige R_p, l'impédance du condensateur est Z = Rs + j.[Ls.w - 1/(C.w)]

En basse fréquence la composante inductive est généralement négligeable, mais en hautes fréquences elle peut faire diminuer rapidement la capacité effective du condensateur.

Pour les condensateurs de faibles valeurs ( C < 1 µF), on utilise des condensateurs à film plastique ou au polypropylène qui ont une très faible inductance série; ces condensateurs servent au découplage des circuits et aux circuits d'aide à la commutation.

Pour les condensateurs de filtrage, on doit utiliser des condensateurs chimiques polarisés. Dans les alimentations à découpage, on utilise des condensateurs à électrolyte liquide aluminium et pour les basses tensions des condensateurs à électrolyte solide.

Dans tous les cas, on choisit des modèles à faible ESR afin de minimiser les pertes.