LABORATOIRE Nº7
Hacheurs non isolés
1. objectifs
Étudier le fonctionnement et les caractéristiques de deux structures de base de hacheur; un hacheur dévolteur et un hacheur survolteur.
2. Étude d’un hacheur dévolteur (montage "buck")
La figure 1 montre le montage du hacheur dévolteur. Il est réalisé à l’aide d’un module LM2596 qui assure une régulation de la tension de sortie par modulation de largeur d’impulsion. La valeur de référence pour la tension de sortie est réglable à l’aide d’un rhéostat de 10 KΩ.
Ce montage a été adapté pour observer les courants I1, I2, I3 dans les principales branches du circuit, à l’aide d’une pince de courant. Il permet aussi d’observer les tensions aux bornes des éléments en utilisant les bornes V1, Vin, Vout et GND.
Le montage ne comporte pas de fusible de protection! Il est important de respecter la polarité de la tension d’alimentation et de limiter le courant à l’entrée du montage.
I 1 I 3
Vin
GND GND
Vout
I 2 10 K
Vin out
FB LM2596
33uH
430
220 uF 220 uF
V1
Figure 1 : Montage hacheur dévolteur (Buck)
Utiliser un bloc d’alimentation continue (30V-3A). La tension d’alimentation sera réglée à 20V mais ajuster d’abord la limitation de courant à 2A. Pour cela, il suffit de court-circuiter ses bornes et augmenter progressivement la référence de courant jusqu’à la valeur désirée. Éteindre la source, enlever le court-circuit et brancher la source sur les bornes d’entrée du montage (Vin. GND) en respectant les polarités.
La charge est réalisée à l’aide d’une boîte de résistances (120 V – 10A) qu’on peut connecter sur les bornes de sortie du hacheur (Vout, GND). Régler la résistance à sa valeur minimale (12 ohms). Brancher un voltmètre DC aux bornes de la charge.
Brancher l’oscilloscope pour observer la tension V1 – GND et le courant dans l’inductance I3. Mettre le montage sous tension. Vérifier que la tension de la source est ajustée à 20V. Vous pouvez agir sur le rhéostat du hacheur pour faire varier le rapport cyclique R et la tension de sortie Vout.
On mesure le rapport cyclique R en observant la tension V1. Il suffit de mesurer le temps de conduction du transistor ton et la période de modulation T.
ton
ℜ = T
1) Mesure de la caractéristique Vout/Vin
Faire varier le rapport cyclique R et déterminer la valeur minimale qui permet d’obtenir une conduction continue dans l’inductance. Mesurer la fréquence de modulation fPWM et la tension de sortie Vout.
Calculer le rapport Vout/Vint.
Répéter l’expérience en augmentant le rapport cyclique par incrément de 20%. Tracer la caractéristique Vout/Vin (R) pour les régimes de conduction continue. Analyser vos résultats et vérifier que la tension de sortie Vout est toujours plus faible que la tension d’entrée Vin.
À partir de la valeur du rapport cyclique correspondant au régime de conduction critique, répéter cette expérience en diminuant le rapport cyclique par incrément de 10%. Tracer la caractéristique Vout/Vin (R) correspondant aux régimes de conduction discontinue et analyser vos résultats.
2) Mesure de l’ondulation de courant dans l’inductance
Brancher le voltmètre DC entre V1 et Vout pour mesurer la tension moyenne aux bornes de l’inductance.
Brancher l’oscilloscope pour observer la tension aux bornes de l’inductance et le courant qui la traverse.
Faire varier le rapport cyclique en observant la tension aux bornes de l’inductance et vérifier que sa valeur moyenne reste faible. Pourquoi cette tension moyenne n’est pas parfaitement nulle?
Mesurer l’ondulation de courant pour un rapport cyclique de 50%. Utiliser la relation suivante pour estimer la valeur de l’inductance.
(
1)
inPWM
I V
∆ = ℜ⋅ − ℜ ⋅L f
⋅
Vérifier que cette valeur d’inductance correspond approximativement à celle indiquée sur le schéma.
Calculer l’ondulation de tension de sortie à l’aide de la relation suivante et vérifier expérimentalement qu’elle est très faible. C correspond à la capacité du condensateur de sortie.
T ton V1
C 8
PWM
V I
f C
∆ ≈ ∆
⋅ ⋅
3) Mesure du rendement du montage
Régler le rapport cyclique de 50%. Mesurer la valeur moyenne du courant de la source DC. Mesurer la valeur moyenne de la tension de sortie Vout et du courant dans la charge. En déduire le rendement du montage avec la relation suivante :
out in
Vout Iout P
P Vin Iin
η= = ⋅
⋅
4) Mesure de la caractéristique de sortie Vout(Iout)
Régler le rapport cyclique de 50%. Faire varier la résistance de charge et mesurer la tension moyenne de sortie Vout ainsi que le courant moyen dans la charge Iout. Tracer la caractéristique Vout(Iout). Analyser vos résultats. Est-ce que la régulation de tension dans ce hacheur est performante?
2. Étude d’un hacheur survolteur (montage "boost")
La figure 2 montre le montage du hacheur survolteur. La valeur de référence pour la tension de sortie est réglable à l’aide d’un rhéostat de 10 KΩ.
XL6009
I 1 I 3
Vin
GND GND
Vout 47 uH
10 K
330
100 uF 100 uF
I 2
GND Vin SW
FB
V 1
Figure 2 : Montage hacheur survolteur (Boost)
La tension d’alimentation sera réglée à 16V et ajuster la limitation de courant à 2.5A.
La charge est réalisée à l’aide d’une boîte de résistances. Régler la résistance à 48 ohms (=60//240Ω).
Brancher un voltmètre DC aux bornes de la charge.
Brancher l’oscilloscope pour observer la tension V1 – GND et le courant dans l’inductance I1. Mettre le montage sous tension. On mesure le rapport cyclique R en observant la tension V1. Il suffit de mesurer le temps de conduction du transistor ton et la période de modulation T.
ton
ℜ = T
1) Mesure de la caractéristique Vout/Vin
Faire varier le rapport cyclique R et déterminer la valeur minimale qui permet d’obtenir une conduction continue dans l’inductance. Mesurer la fréquence de modulation fPWM et la tension de sortie Vout.
Calculer le rapport Vout/Vint.
Répéter l’expérience en augmentant le rapport cyclique par incrément de 10%. Tracer la caractéristique Vout/Vin (R) pour les régimes de conduction continue. Analyser vos résultats et vérifier que la tension de sortie Vout est toujours plus grande que la tension d’entrée Vin.
À partir de la valeur du rapport cyclique correspondant au régime de conduction critique, répéter cette expérience en diminuant le rapport cyclique par incrément de 10%. Tracer la caractéristique Vout/Vin (R) correspondant aux régimes de conduction discontinue et analyser vos résultats.
2) Mesure de l’ondulation de courant dans l’inductance
Brancher le voltmètre DC entre Vin et V1 pour mesurer la tension moyenne aux bornes de l’inductance.
Brancher l’oscilloscope pour observer la tension aux bornes de l’inductance et le courant qui la traverse.
Faire varier le rapport cyclique, observer la tension aux bornes de l’inductance et vérifier que sa valeur moyenne reste faible. Pourquoi cette tension n’est pas parfaitement nulle?
Mesurer l’ondulation de courant pour un rapport cyclique de 50%. Utiliser la relation suivante pour estimer la valeur de l’inductance.
in PWM
I V
∆ = ℜ⋅L f
⋅
Vérifier que cette valeur d’inductance correspond approximativement à celle indiquée sur le schéma.
Calculer l’ondulation de tension de sortie à l’aide de la relation suivante et vérifier expérimentalement qu’elle est très faible. C correspond à la capacité du condensateur de sortie.
moy C
PWM
V Iout
f C
∆ =ℜ⋅
⋅ T
ton V1
3) Mesure du rendement du montage
Régler le rapport cyclique de 50%. Mesurer la valeur moyenne du courant de la source DC. Mesurer la valeur moyenne de la tension de sortie Vout et du courant dans la charge. En déduire le rendement du montage avec la relation suivante :
out in
Vout Iout P
P Vin Iin
η= = ⋅
⋅
4) Mesure de la caractéristique de sortie Vout(Iout)
Régler le rapport cyclique de 50%. Faire varier la résistance de charge et mesurer la tension moyenne de sortie Vout ainsi que le courant moyen dans la charge Iout. Tracer la caractéristique Vout(Iout). Analyser vos résultats. Est-ce que la régulation de tension dans ce hacheur est performante?
