Les alimentations à découpage sont utilisées pour convertir la tension d'entrée en valeur nécessaire aux composants internes. Un autre nom courant pour les alimentations à découpage est celui d'onduleurs.
Contenu
Qu'est-ce qu'une alimentation à découpage ?
Un onduleur est une alimentation électrique secondaire qui utilise une double conversion de la tension alternative d'entrée. Les valeurs de sortie sont ajustées en modifiant la durée (largeur) des impulsions et, dans certains cas, leur fréquence. Ce type de modulation est appelé modulation par largeur d'impulsion.
Le principe d'une alimentation à découpage
L'onduleur fonctionne en redressant la tension primaire, puis en la convertissant en un train d'impulsions à haute fréquence. C'est la différence avec un transformateur classique. La tension de sortie est utilisée pour générer un signal de retour négatif qui permet d'ajuster les paramètres de l'impulsion. En contrôlant la largeur d'impulsion, il est facile d'organiser la stabilisation et l'ajustement des paramètres de sortie, tension ou courant. C'est-à-dire qu'il peut être un régulateur de tension aussi bien qu'un régulateur de courant.
Le nombre et la polarité des valeurs de sortie peuvent être très différents, selon le fonctionnement de l'alimentation à découpage.
Variété d'alimentations
Plusieurs types d'onduleurs, qui diffèrent par leur circuit, sont utilisés :
- sans transformateur ;
- transformateur.
Les premiers se distinguent par le fait que la séquence d'impulsions va directement au redresseur de sortie et au filtre de lissage de l'appareil. Un tel circuit comporte un minimum de composants. Un simple inverseur comprend un circuit intégré spécialisé - un oscillateur à largeur d'impulsion.
Le principal inconvénient des appareils sans transformateur est qu'ils n'ont pas d'isolation galvanique par rapport au réseau électrique et peuvent présenter un risque de choc. Ils ont aussi généralement une faible puissance et ne délivrent qu'une valeur de tension de sortie.
Les dispositifs de transformateurs, dans lesquels une séquence d'impulsions à haute fréquence est appliquée à l'enroulement primaire du transformateur, sont plus courants. Il peut y avoir autant d'enroulements secondaires que nécessaire, ce qui permet de former plusieurs tensions de sortie. Chaque enroulement secondaire est chargé avec son propre redresseur et filtre de lissage.
Un puissant bloc d'alimentation à découpage de tout ordinateur est construit selon un tel circuit, qui présente une fiabilité et une sécurité élevées. Pour le signal de retour, on utilise ici une tension de 5 ou 12 volts, car ces valeurs nécessitent une stabilisation aussi fine que possible.
L'utilisation de transformateurs pour la conversion de tension à haute fréquence (dizaines de kilohertz au lieu de 50 Hz) a permis de réduire considérablement leur taille et leur poids et d'utiliser des matériaux ferromagnétiques à force coercitive élevée comme matériau du noyau (fil magnétique) au lieu du fer électrique.
Les convertisseurs CC-CC sont également basés sur la modulation de largeur d'impulsion. Sans l'utilisation de circuits inverseurs, la conversion était très difficile.
Circuit d'alimentation en courant continu
Le schéma de circuit de la configuration la plus courante de l'inverseur d'impulsions comprend :
- Un filtre de ligne pour la suppression des interférences ;
- redresseur ;
- Un filtre de lissage ;
- convertisseur de largeur d'impulsion ;
- transistors clés ;
- transformateur de sortie haute fréquence ;
- redresseurs de sortie ;
- filtres de sortie individuels et collectifs.
Le but du filtre antiparasite est de piéger les interférences provenant du fonctionnement de l'appareil dans l'alimentation secteur. La commutation d'éléments semi-conducteurs de haute puissance peut s'accompagner de la génération d'impulsions de courte durée dans un large spectre de fréquences. Il est donc nécessaire d'utiliser des éléments spécialement conçus comme condensateurs de passage pour les liaisons de filtrage.
Le redresseur sert à convertir la tension alternative d'entrée en tension continue, et un filtre de lissage en aval élimine les ondulations de la tension redressée.
Lorsqu'un convertisseur CC est utilisé, le redresseur et le filtre sont inutiles et le signal d'entrée, après avoir traversé le circuit de filtrage du bruit, est envoyé directement au convertisseur (modulateur) de largeur d'impulsion, abrégé en PWM.
Le PWM est la partie la plus complexe d'un circuit d'alimentation à découpage. Sa tâche comprend :
- Génération d'impulsions à haute fréquence ;
- surveillance des paramètres de sortie de l'unité et correction du train d'impulsions en fonction du signal de retour ;
- Surveillance et protection contre les surcharges.
Le signal PWM est envoyé aux broches de commande des transistors de haute puissance reliés en pont ou demi-pont. Les fils d'alimentation sont connectés à l'enroulement primaire du transformateur de sortie haute fréquence. Les transistors bipolaires traditionnels sont remplacés par des transistors IGBT ou MOSFET, qui présentent une très faible chute de tension de jonction et des performances de vitesse élevées. L'amélioration des performances des transistors permet de réduire la dissipation de puissance pour des dimensions et une conception technique identiques.
Le transformateur d'impulsions de sortie utilise le même principe de conversion que le transformateur classique. L'exception est l'opération de sur-fréquence. Par conséquent, les transformateurs haute fréquence ont des dimensions plus petites pour la même puissance transmise.
La tension de l'enroulement secondaire du transformateur de puissance (il peut y en avoir plusieurs) est envoyée aux redresseurs de sortie. Contrairement au redresseur d'entrée, les diodes de redressement du circuit secondaire doivent avoir une fréquence de fonctionnement plus élevée. Les diodes Schottky fonctionnent le mieux dans cette section du circuit. Leurs avantages par rapport aux diodes conventionnelles sont les suivants :
- fréquence de fonctionnement élevée ;
- une capacité de jonction p-n plus faible ;
- faible chute de tension.
Le but du filtre de sortie dans une alimentation à découpage est de réduire au minimum nécessaire l'ondulation de la tension de sortie redressée. Comme la fréquence d'ondulation est beaucoup plus élevée que la tension de ligne, il n'est pas nécessaire d'avoir une capacité et une inductance élevées dans les bobines.
Champ d'application de l'alimentation à découpage
Dans la plupart des cas, des onduleurs à tension pulsée sont utilisés à la place des onduleurs traditionnels à transformateur avec stabilisateurs à semi-conducteurs. À puissance égale, les onduleurs sont plus petits et plus légers, plus fiables et, surtout, plus efficaces et peuvent fonctionner sur une large gamme de tensions d'entrée. Et pour une taille comparable, la puissance maximale de l'onduleur est plusieurs fois supérieure.
Dans un domaine tel que la conversion de la tension continue, les sources d'impulsions n'ont pratiquement aucune alternative et sont capables de fonctionner non seulement en réduisant la tension, mais aussi en générant une tension plus élevée et en organisant une inversion de polarité. La fréquence de conversion élevée facilite grandement le filtrage et la stabilisation des paramètres de sortie.
De petits onduleurs basés sur des circuits intégrés spécialisés sont utilisés comme chargeurs pour toutes sortes de gadgets, et leur fiabilité est telle que la durée de vie de l'unité de charge peut dépasser de plusieurs fois celle d'un appareil mobile.
Les pilotes d'alimentation 12 volts pour l'allumage des sources lumineuses à DEL sont également basés sur un circuit de commutation.
Comment fabriquer une alimentation à découpage de vos propres mains
Les onduleurs, surtout ceux qui sont puissants, ont des circuits complexes et ne sont accessibles qu'aux radioamateurs expérimentés. Des circuits simples de faible puissance avec l'utilisation de contrôleurs PWM spécialisés peuvent être recommandés pour l'auto-assemblage des alimentations secteur. Ces circuits intégrés sont peu câblés et ont une conception de circuit bien établie qui ne nécessite pratiquement aucun ajustement ni réglage.
Lorsque vous travaillez sur des constructions artisanales ou que vous réparez des appareils industriels, n'oubliez pas qu'une partie du circuit sera toujours sous le potentiel du réseau, et que des précautions de sécurité doivent être prises.
Articles connexes :
