Notes

Chapitre
5
Alimentation électrique
L’objectif de ce chapitre est d’apprendre à convertir une tension CA à une tension CC.
Il y a deux types d’alimentation :
• Non-régulée : le niveau CC diminue si on augmente le courant à la charge,
• Régulée : La tension CC est stable, sans ondulations.
On verra aussi quelques circuits intégrés régulateurs.
5.1
Introduction aux alimentations non-régulées
Un transformateur est nécessaire pour réduire la tension nominale de 120V du réseau
à la tension voulue du circuit. C’est la première composante de l’alimentation. La figure
5.1 montre la conversion du niveau de tension à l’aide du transformateur.
12Vrms
120/24
+
120Vrms
24Vrms
CT
−
Figure 5.1 – Effet du transformateur
√
La tension crête-à-crête à la sortie est 24 × 2 = 34V.
La prochaine étape est de convertir la tension CA à une tension CC pulsée. On utilise
1
CHAPITRE 5. ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
un pont de diodes, comme à la figure 5.2.
1
120/24
34V
34V
2
Figure 5.2 – Effet du pont de diodes
Remarque : L’alimentation est flottante. Il n’y a pas de + ou de − spécifiques. Si on veut
une alimentation positive, il faut placer la borne 2 à la terre, ce qui devient la borne −. De
même, pour une alimentation négative, il faut placer la borne 1 à la terre.
Évidemment, la tension entre les bornes 1 et 2 n’est pas une tension CC pure. On
utilise un condensateur pour filtrer les composantes CA et ainsi obtenir une tension fixe.
On utilise habituellement un condensateur assez élevé, 500µF ou plus. Le condensateur
est placé après le pont de diodes, comme à la figure 5.3.
+
VL
C
Vcc ≈ 34V
−
Figure 5.3 – Effet du condensateur sur l’alimentation
Il n’y a pas de charge branchée à la sortie du circuit de la figure 5.3. La tension de
sortie diminuera si on ajoute une charge, comme celle de la figure 5.4.
iL = 1A
1000µF
RL
Pleine charge
Figure 5.4 – Charge ajoutée à une alimentation non régulée
Gabriel Cormier
2
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CHAPITRE 5. ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
La tension à la sortie est donnée à la figure 5.5.
VL
30
∆vo = 5V
20
Vcc = 24V
10
0
t
Figure 5.5 – Tension à la sortie de l’alimentation non régulée, avec charge
La tension à la charge a un niveau CC plus faible, 24V dans la figure 5.5. De plus, il y a
une composante CA, ∆vo , superposée à la valeur CC (∆vo = 5V dans l’exemple précédent).
On conclut :
1. La tension CC diminue lorsque le courant augmente,
2. Les ondulations CA augmentent de 0V à une large valeur en pleine charge.
Les ondulations CA de l’alimentation peuvent être estimées en fonction du condensateur de lissage et du courant de la charge, par l’équation suivante :
∆vo ≈
IL
200C
(5.1)
Si l’ondulation est mesurée avec un voltmètre CA, la valeur rms des ondulations sera
affichée. La tension rms est reliée à ∆vo par la relation suivante :
∆vo ≈ 3.5Vrms
(5.2)
où Vrms est l’indication du voltmètre CA.
Un dernier paramètre est nécessaire pour le design d’une alimentation non-régulée :
c’est la tension minimale instantanée nécessaire en pleine charge.
VLmin = Vccpc −
Gabriel Cormier
3
∆vo
2
(5.3)
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CHAPITRE 5. ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
5.2
Courbe de régulation CC
On peur mesurer la variation de la tension CC en fonction de la charge pour une
alimentation non régulée, comme à la figure 5.6.
A
1000µF
RL
V
Figure 5.6 – Circuit de mesure de la variation CC
La tension mesurée en fonction du courant mesuré donne la courbe de la figure 5.7.
O
34
A
Vcc
24
0
1
Icc
Figure 5.7 – Courbe de régulation : tension en fonction du courant d’une alimentation
non régulée
Le point O représente la tension Vcc = Em et Icc = 0, la tension sans charge, et le point
A représente la tension à pleine charge, Vccpc = 24V et IL = 1A.
On modélise le comportement de l’alimentation non-régulée par une résistance de
sortie Ro :
RL
Vccpc =
V
(5.4)
RL + Ro ccsc
ou,
Vccsc = Vccpc + Ipc Ro
(5.5)
où Ipc est le courant à pleine charge.
On utilise la courbe de régulation pour calculer la résistance Ro .
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CHAPITRE 5. ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
Exemple 1
Pour une alimentation électrique ayant Em = 34V, Vccpc = 24V, et Ipc = 1A,
1. Calculer la résistance interne Ro ,
2. Donner la tension CC à mi-charge (IL = 0.5A)
a) Selon les équations précédentes,
Ro =
Vccsc − Vccpc
Ipc
=
34 − 24
= 10Ω
1
b) La tension à mi-charge est :
Vcc = Vccsc − Ro IL = 34 − (0.5)(10) = 29 V
Note : la tension de 5V qui est perdue (par rapport à la tension sans charge) est interne
à l’alimentation et cause une dissipation de (5)(0.5) = 2.5W en chaleur.
La résistance Ro modélise les pertes internes du transformateur, des diodes, des condensateurs et même du câblage. Il n’est pas nécessaire de connaı̂tre la contribution de chaque
élément ; seul l’effet total est important.
Exemple 2
Faire la conception d’une alimentation CC non-régulée pour obtenir 12V à 1A avec
moins de 10% d’ondulations.
On sépare le design en deux parties :
1. La partie CC donne la taille du transformateur et des diodes,
2. La partie CA donne la taille du condensateur.
1) Partie CC : On a deux équations de design :
Vccsc = Vccpc + Ipc Ro
et
Vccsc = Em
Or, on ne connaı̂t pas Ro . Puisqu’on ne sait pas quel transformateur utiliser, on ne peut
pas mesurer Ro . Il faut estimer, faire les calculs appropriés, puis réviser si nécessaire.
Gabriel Cormier
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CHAPITRE 5. ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
Dans ce cas-ci, on commence en supposant Ro = 10Ω. Alors,
Vccsc = 12 + (1)(10) = 22 V = Em
et
E
Erms = √m = 15.6 V
2
Ceci veut dire qu’il faut acheter un transformateur 120V/15.6V, ce qui n’est pas possible. Il faut aussi vérifier la puissance maximale dissipée, et puisqu’on utilise un pont
de diodes, on doit choisir un transformateur ayant Isec = 1.8Ipc , ce qui donne Isec = 1.8A
ou plus.
On peut trouver un transformateur de 16V, à 2.2A, soit le modèle 166L16 de Hammond Manufacturing.
Il faut choisir les diodes selon le courant moyen et la tension crête maximale (PIV).
On choisit une diode ayant Imoy > Ipc , et ayant PIV = Vccsc + 20%. Un exemple de pont de
diodes est le DF005-G de Comchip Technologies.
2) Partie CA
On calcule en premier les ondulations du circuit :
Vrms = (%ond)(Vccpc ) = (0.1)(12) = 1.2 V
et l’ondulation :
∆vo = 3.5(1.2) = 4.2 V
On peut maintenant calculer la valeur du condensateur :
C=
IL
= 1190µF
200∆vo
On va choisir un condensateur plus grand que la valeur calculée, comme C = 1500µF.
Note : Les condensateurs ont eux aussi une tension crête maximale (WVDC). On doit
choisir des condensateurs ayant WVDC = Vccsc + 20%.
Le design total donne le circuit suivant :
• Transformateur : 120/16V à 2.2A
• Pont de diodes : 50V à 1A
• Condensateur : 1500µF, WVDC = 25V ou plus
5.3
Alimentation bipolaire non-régulée
Plusieurs dispositifs électroniques nécessitent une alimentation positive et négative.
Ces tensions sont mesurées par rapport à une troisième borne commune, la masse (GND).
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CHAPITRE 5. ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
Pour obtenir une tension positive et négative, il faut soit deux secondaires ou un transformateur avec accès central au secondaire (centre tap). La figure montre un exemple d’alimentation 120/24V bipolaire.
1
120/24
+
√
VL = 2 · 12 = 17V
C+
−
CT
√
VL = 2 · 12 = −17V
C−
2
+
Figure 5.8 – Alimentation bipolaire 120/24V
On peut réaliser trois configurations avec le circuit de la figure 5.8, comme montré à
la figure 5.9. On peut réaliser une alimentation bipolaire, ou des alimentations doubles
(positive ou négative).
1
Alimentation
1
+17V
CT
2
Alimentation
CT
+34V
+17V
2
−17V
a) Alimentation bipolaire
b) Alimentation positive double
1
CT
Alimentation
2
−17V
−34V
c) Alimentation négative double
Figure 5.9 – Configurations possibles d’une alimentation bipolaire
Comme mentionné auparavant, il y a deux désavantages principaux aux alimentations
non-régulées :
1. La tension CC diminue si le courant à la charge augmente,
2. Les ondulations CA augmentent si le courant à la charge augmente.
On peut minimiser ces désavantages en utilisant une alimentation régulée.
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CHAPITRE 5. ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
5.4
Régulateur de tension
Le régulateur de tension permet d’obtenir un niveau CC stable, peu importe les ondulations à l’entrée.
120V
VL
VL
Alimentation
non-régulée
Régulateur
de tension
60Hz
Figure 5.10 – Alimentation régulée
Les régulateurs de tension peuvent être classifiés selon plusieurs paramètres :
1. Polarité : positif ou négatif, ou double
2. Bornes : 3 bornes ou plus
3. Fixe ou variable : certaines valeurs fixes sont ±5V, ±12V, ±15V et variable de 1.2V à
37V ou −1.2V à −37V.
4. Courant de sortie : 0.1A, 0.25A, 0.5A, 1.5A, 5A, 10A.
Un exemple est le LM7818CT, de Fairchild Semiconductor, qui fournit 1A à la sortie, de
18V.
La tension instantanée à l’entrée du régulateur doit toujours être plus élevée que la
sortie CC de 0.5V à 3V (typiquement). Ex : le LM340K-15 nécessite 3V de marge de manoeuvre (head room). Le circuit typique d’un régulateur de tension est montré à la figure
5.11.
3V minimum
IN
−
+
OUT
+
LM340K-15
0.22µF
1µF
GND
RL
15V
−
Figure 5.11 – Régulateur de tension
La tension minimum nécessaire à l’entrée du régulateur dépend des ondulations CA
de l’alimentation non-régulée. La tension minimale est :
VLmin = Vccpc −
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8
∆vo
2
(5.6)
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CHAPITRE 5. ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
Exemple : pour le LM340K-15, il faut 18V à l’entrée du régulateur (marge de 3V, et sortie
de 15V). Si les ondulations ont une amplitude de 5V à pleine charge, la tension CC à
pleine charge est donc :
Vccpc = VLmin +
5
∆vo
= 18 + = 20.5 V
2
2
Les régulateurs de tension ont typiquement un circuit interne de protection contre un
courant trop élevé ou une température trop élevée. Il faut utiliser un dissipateur thermique pour une opération normale.
On spécifie aussi le taux de rejet des ondulations. Une valeur typique est 60dB, ce
qui représente une atténuation des ondulations d’un facteur 1000. Ex : si ∆vo = 5V, les
ondulations seront de 5mV à la sortie.
5.5
Régulateurs variables
Les régulateurs variables permettent d’obtenir une tension CC variable. Le LM317 est
une exemple ; son circuit est montré à la figure 5.12.
OUT
+
1.25V
−
IN
LM317
C1
ADJ
+
R1
C2
vo
RL
R2
−
Figure 5.12 – Régulateur de tension variable LM317
Le LM317 génère 1.25V entre ses sorties OUT et ADJ. La résistance R1 suggérée par
le manufacturier est typiquement 240Ω, ce qui donne un courant de 5mA dans R1 et R2
(le courant qui sort de ADJ est négligeable). La tension totale de sortie est la somme des
tensions dans R1 et R2 :
R2
vo = 1.25 + 5R2 = 1.25 1 +
(5.7)
240
Comme exemple, pour alimenter un circuit TTL (5V), il faut utiliser R2 = 760Ω.
L’avantage d’une tension variable est contrebalancée par une consommation de puissance supérieure. Les résistances R1 et R2 consomment de l’énergie : dans le cas du TTL,
les résistances consomment environ 25mW.
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CHAPITRE 5. ALIMENTATION ÉLECTRIQUE
Le condensateur C1 est nécessaire pour minimiser les effets des longs fils entre le filtre
du pont de diodes et le régulateur. Pour des distance plus petites que 15cm environ, ce
condensateur n’est pas nécessaire. Le condensateur C2 améliore la réponse transitoire du
circuit.
5.6
Circuit de protection externe
On utilise deux diodes pour protéger le circuit du LM317, comme à la figure 5.13.
D1
OUT
IN
+
LM317
D2
C1
R1
C2
ADJ
R2
vo
RL
C3
−
Figure 5.13 – Régulateur de tension variable LM317 avec circuit de protection
Le condensateur C2 a une valeur typique de 1µF, et le condensateur C3 a une valeur
typique de 10µF.
La diode D1 protège contre les court-circuits à l’entrée. Le condensateur C3 est ajouté
pour améliorer les ondulations CA. Par contre, s’il y a court-circuit à la sortie, le condensateur C3 essayera de pousser du courant dans la borne ADJ du LM317. La diode D2 protège
le régulateur dans ce cas.
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