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Alimentations à découpage isolée du réseau.
Généralités:
Les alimentations à découpage ont un meilleur rendement que les alimentations linéaires, du fait qu’elles utilisent des composants fonctionnant en commutation.
La puissance dissipée dans les interrupteurs commandés est réduite (tension faible à l’état passant ou courant faible à l’état bloqué). Le dissipateur (refroidisseur) est moins volumineux.
Une fréquence de fonctionnement élevée, généralement supérieure aux fréquences audibles (20 KHz), permet de réduire les dimensions du filtre de sortie.
Le transformateur de séparation, du fait qu’il fonctionne à fréquence élevée, a un volume réduit dans des proportions considérables.
Cependant, les alimentations à découpage peuvent générer un « bruit » important, interdisant leur emploi dans certains domaines.
Transformateur:
Dans un transformateur, la tension est donnée par la relation de boucherot:
Veff = 4,44 * Bmax * f * S * N
avec: Bmax: valeur admissible de l’induction dans le circuit magnétique, f: fréquence de fonctionnement du transformateur,
S: section du circuit magnétique,
N: nombre de spires de l’enroulement considéré.
Pour diminuer le terme S * N (encombrement), on augmente la fréquence f. Dans ce cas les pertes fer augmentent aussi.
Rappel: pertes par hystérésis = Kh * f * Bmax²
pertes par courants de Foucault = Kf * f² * Bmax² avec Kh et Kf constantes dépendant des tôles utilisées.
L’utilisation de tôles feuilletées (comme dans un transformateur 50Hz) n’est plus possible. Le circuit magnétique est en ferrite (poudre de fer pressée et collée). Ce
matériau ne permet cependant pas des inductions très élevées (0,1 Tesla).
L’augmentation de la fréquence de travail entraîne néanmoins une diminution considérable du volume du transformateur.
Par exemple, si la fréquence passe de 50 Hz à 50 KHz, avec une induction de 0,1 T au lieu de 1 T, le produit S* N est divisé par 100, ce qui, à puissance égale, conduit à une réduction d’encombrement de l’ordre de 10.
Remarque: la relation de Boucherot est vrai en sinusoïdal. Or le primaire du transformateur est soumis à une onde rectangulaire.
La démonstration précédente reste néanmoins correcte, car le fondamental est de fréquence f et les harmoniques de fréquence 3*f, 5*f, 7*f...
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Principe:
Il existe plusieurs structures dont les plus répandues sont Flyback et Forward.
Convertisseur FLYBACK:
L’élément magnétique fonctionne en inductance d’accumulation d’énergie.
Durant une période T, l’énergie emmagasinée est: V1 i1M 2 t1
Si on admet le système sans pertes, cette énergie est restituée à l’utilisation: Vs R T
2
D’autre part: i1M = V1
L t1 d’où: V1
2 L t1 = Vs R T
2 2
2
et: Vs
V1= t1 T
R T 2 L
(1)
Dimensionnement des semi-conducteurs:
Transistor T: lorsque la diode D conduit, la tension aux bornes de l’enroulement n2 est Vs. La tension ramenée aux bornes de l’enroulement n1 (variation du flux ) est:
n1
n2Vs Vce0 V1 +n1 n2Vs
(2) et Ic V1 L t1
Diode D:
I0 Is et Vrrm V1n2 n1+ Vs
Utilisation
Transformateu r
Redresseur
Filtre Onduleur
Filtre Redresseur
Secteur
~
~
=
~
~
~
=
~
=
~
~
~
R
Vs#Cte is
C i2 D
n2 L, n1
T
Vce V1
i1
V1+Vs n1/n2 Vce
i1
i2
V1
T t1
0
t t
t
t i1M
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Remarques:
La relation (1) montre que la tension de sortie Vs peut être réglée par le rapport cyclique t1/T, mais aussi par la période de hachage du transistor T.
Le nombre de spires n1 est déterminé à partir de la valeur de l’inductance L. n2 est calculé d’après la relation (2) afin de diminuer les contraintes en tension du
transistor.
Convertisseur FORWARD:
L’élément magnétique fonctionne en transformateur. L’énergie transite du primaire n1 au secondaire n2 pendant la phase de conduction du transistor T. Un enroulement auxiliaire de démagnétisation n3 est nécessaire. Un filtrage L-C est réalisé en sortie.
En négligeant le courant magnétisant, les pertes, et en supposant i2 = is lorsque D2 conduit:
V2 i2 t1 = Vs is T et V2 = V1n2
n1 Vs V1= n2
n1 t1
T
Cette relation montre que la tension de sortie peut être ajustée par le rapport des spires n2/n1 et par le rapport cyclique t1/T.
Dimensionnement des semi-conducteurs:
Transistor: lorsque D1 entre en conduction (démagnétisation), la tension induite sur l’enroulement n1 est :
V1n1
n3 Vce0 V1 + V1n1
n3 Ic (Is + iL 2 )n2
n1+ im(maxi)
Diode D1 Vrrm V1 + V1n3
n1 I0 t1 T
im(maxi) 2 Diode D2 Vrrm V1n2
n3 I0 ist1 T Diode D3 Vrrm V1n2
n1 I0 isT - t1 T
is iL i2
D3
R Vs C
D2
n2 n1
T Vce V1
ic
n3
D1
L
im
iL ic
im
Vce V1
t1 T 0
t t
t
t is
courant magnétisant
