Alimentations à découpage 07/09/2001  Patrick ABATI 
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 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 (T)
                f: fréquence de fonctionnement du transformateur (Hz)
                S: section du circuit magnétique (m²)
                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:

    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...


 Principe 

principe

 Il existe plusieurs structures dont les plus répandues sont Flyback et Forward


 Convertisseur FLYBACK 

 flyback

L'élément magnétique fonctionne en inductance d'accumulation d'énergie
Durant une période T, l'énergie emmagasinée est: équation
Si on admet le système sans pertes, cette énergie est restituée à l'utilisation: équation
D'autre part: équation d'où: équation
et: équation (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 F) est:
équationéquation (2) et équation

Diode D:
équation

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 

 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:
équation

    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 :
équation

Diodes
:
équation 

 

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