Les Alimentations

Les Alimentations
A). Principe :
On désire à partir de la tension secteur sinusoïdale alternative distribuée par E.D.F. (230 V – 50 Hz)
fournir une tension continue et constante.
B). Structure :
De manière générale, la structure d’une alimentation secteur est la suivante :
 Schéma fonctionnel :
U1
EDF1
230V
50 Hz
U2
F1
F4
VE
U3
T1
T4
VF
EDF2
F2
Protection
F3
U4
R1
R4
VT
T2
U5
FC1
FC4
VR
T3
R2
Transf ormateur
Redressement
R3
SR1
VC
FC2
FC3
Filtrage
VCC
SR4
VS
SR2
GND
SR3
Stablilisation ou Regulation
C). Protection :
I ). Définition :
La protection est en général réalisée par un fusible. Il existe deux types de fusibles :
 Rapides : ils sont signalés par un F
Le fusible fond dès que l’on dépasse le courant nominal du fusible.
On trouve les valeurs suivantes : 1 ; 1,6 ; 2 ; 2,5 ; 3,15 ; 4 ; 5 ; 6,3 ; 8 avec leurs
multiplicateurs en mA et en A.
 Temporisés : ils sont signalés par un T
Le fusible fond après un certain temps de dépassement du courant nominal du fusible.
On trouve les valeurs suivantes : 1 ; 1,6 ; 2 ; 2,5 ; 3,15 ; 4 ; 5 ; 6,3 ; 8 avec leurs
multiplicateurs en mA et en A.
II ). Schéma :
Alimentations
1
JFA11
III ). Calculs :
On a une alimentation de 5V 1A, si pour simplifier, on admet que les pertes dans
l’alimentation sont nuls, calculer la valeur du fusible à mettre au primaire du transformateur.
 Solution :
I1 
I 2.U 2 1.5

 21,74 mA soit un fusible temporisé de 25 mA ; soit T25mA.
U1
230
IV ). Choix des composants :
Pour une alimentation, il faudra toujours choisir un fusible temporisé.
D). Transformateur :
I ). Définition :
Le transformateur sert à diminuer la tension secteur distribuée par EDF, en une tension compatible
avec notre alimentation. Il est composé de deux bobinages réalisés autour d'un noyau en fer.
Si la bobine primaire contient N1 Spires et la bobine secondaire contient N2 spires. La tension des
bobines est proportionnelle au nombre de spires. Le transformateur ayant un très bon rendement, la
puissance P1 est retransmise au secondaire P2. On a alors les relations suivantes :
P1  P2
V 1.I1  V 2.( I 2)
N1 V 1  I 2


N2 V 2
I1
N1
est le rapport de transformation.
N2
Alimentations
2
JFA11
II ). Schéma :
III ). Calculs :
Si la bobine primaire contient 240000 spires pour un transformateur 240 V, combien le secondaire
a-t-il de spires si on veut une tension de 12V ?
Réponse :
N 2  V 2.
N1
240000
 12.
 12000 Spires
V1
240
IV ). Chronogrammes :
VF ; VT ;
V ). Choix des composants :
Les critères de choix du transformateur sont :
Alimentations
3
JFA11
 La tension primaire,
 La tension secondaire,
 La puissance maximale,
 Le nombre d’enroulements au secondaire.
E). Redressement Simple Alternance :
I ). Définition :
Le redressement Simple Alternance permet de passer d’un signal sinusoïdal alternatif à un signal
unipolaire (positif ou négatif) avec une seule alternance.
II ). Schéma :
R1
R4
VT
VR
D
R2
R3
III ). Etude :
 Si VT > VD :
La diode est passante, donc VR = VT  0,7V.
VD = 0,7V
 Si VT < VD :
La diode est bloquée, donc VR = 0V.
VD = VT
Alimentations
4
JFA11
IV ). Chronogrammes :
VT ; VR ; IR
VT ; VD ; ID
Alimentations
5
JFA11
V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :
VRmoy 
1 T
. VR( t ).dt
T 0
VRmoy 
V̂R

Une tension redressée simple alternance de 10V crête, est équivalente à une tension continue de
3,18 V.
VReff 
2
VReff 
1 T
2
. VR( t ) .dt
T 0
V̂R
2
Une tension redressée simple alternance de 10V crête, est équivalente à une tension alternative
de 5 V efficace.
VI ). Choix de la diode :
 Pour le courant direct :
C’est le même que celui de la résistance, donc il doit être supérieur à
VRmoy V̂R
IDmoy  IRmoy 

.
R
R.
 Pour la tension inverse :
Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse =  VTmax
F). Redressement avec point milieu
I ). Définition :
Le redressement avec un transformateur à point milieu permet de passer d’un signal sinusoïdal
alternatif à un signal unipolaire (positif ou négatif) avec les deux alternances.
II ). Schéma :
R1
R4
VT
VR
D1
R2
R3
VT
R'1
D2
Alimentations
6
JFA11
III ). Etude :
 Si VT > VD :
La diode D1 est passante, donc VR = VT  0,7V.
La diode D2 est bloquée.
VD1 = 0,7V ; VD2 =  2VT
 Si  VD < VT < VD :
La diode D1 est bloquée, la diode D2 est bloquée, donc VR = 0V.
 Si VT <  VD :
La diode D1 est bloquée.
La diode D2 est passante, donc VR =  VT  0,7V.
VD1 =  2VT ; VD2 = 0,7V ;
IV ). Chronogrammes :
VT ; VR ; IR
Alimentations
7
JFA11
VT ; VD1 ; VD2 ; ID1 ; ID2
V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :
VRmoy 
1 T
. VR( t ).dt
T 0
VRmoy  2.
V̂R

Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension continue de
6,36 V.
VReff 
1 T
2
. VR( t ) .dt
0
T
VReff 
V̂R
2
2
Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension alternative
de 7 V efficace.
VI ). Choix des diodes :
 Pour le courant direct :
C’est le même que celui de la résistance divisé par 2, donc il doit être supérieur à :
Alimentations
8
JFA11
IDmoy 
IRmoy
2

VRmoy
2.R

2.V̂R V̂R
.

2.R. R.
 Pour la tension inverse :
Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse =  2.VTmax
G). Redressement avec pont de GRAETZ :
I ). Définition :
Le redressement par pont de GRAETZ permet de passer d’un signal sinusoïdal alternatif à un signal
unipolaire (positif ou négatif) avec les deux alternances.
II ). Schéma :
D1
R1
R4
VT
VR
D3
D2
R2
R3
D4
III ). Etude :
 Si VT > 2.VD :
La diode D1 et D4 sont passantes, donc VR = VT  1,4V.
La diode D2 et D3 sont bloquées.
VD1 = VD4 = 0,7V ; VD2 = VD3 =  VT
 Si -2.VD < VT < 2.VD :
La diode D1, D2, D3, D4 sont bloquées, donc VR = 0V.
 Si VT <  2.VD :
La diode D2 et D3 sont passantes, donc VR =  VT  1,4V.
La diode D1 et D4 sont bloquées.
VD1 = VD4 =  VT ; VD2 = VD3 = 0,7V ;
Alimentations
9
JFA11
IV ). Chronogrammes :
VT ; VR ; IR
VT ; VD1,VD4 ; VD2, VD3 ; ID1, ID4 ; ID2, ID3
Alimentations
10
JFA11
V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :
VRmoy 
1 T
. VR( t ).dt
T 0
VRmoy  2.
V̂R

Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension continue de
6,36 V.
VReff 
1 T
2
. VR( t ) .dt
T 0
VReff 
V̂R
2
2
Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension alternative
de 7 V efficace.
VI ). Choix des diodes :
 Pour le courant direct :
C’est le même que celui de la résistance divisé par 2, donc il doit être supérieur à :
IDmoy 
IRmoy
2

VRmoy
2.R

2.V̂R V̂R

2.R. R.
 Pour la tension inverse :
Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse =  VTmax
H). Filtrage en redressement simple alternance :
I ). Définition :
Le filtrage est effectué par un condensateur, qui permet de rendre la tension redressée par la diode
presque continue (positif ou négatif).
II ). Schéma :
R1
FC4
VT
VR
VC
D
C
R2
Alimentations
FC3
11
JFA11
III ). Etude :
 Si VT > VC+VD :
La diode est passante, donc VC =VR = VT  0,7V.
VD = 0,7V.
 Si VT < VC+VD :
La diode D est bloquée, donc VC = VR
VD = VT  VC
IV ). Chronogrammes :
VT ; VR ; IR ; IC
Alimentations
12
JFA11
VT ; VD ; ID ;
V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :
Si le condensateur est bien choisi, la tension de sortie est continue, donc :
VRmoy  V̂T  VD  V̂T  0 ,7V
Une tension de 10V crête redressée simple alternance, est équivalente à une tension continue de
9,3 V.
La tension efficace n’est plus intéressante.
VI ). Calcul du condensateur :
A partir de l’équation du condensateur, on a :
C
Ic.dt
dVc
On peut utiliser les composants de la décharge pour déterminer les valeurs :
Ic est le courant de décharge, et Ic  IRmoy 
VRmoy
R
dt est le temps de décharge, c’est approximativement T.
dVc est la variation de tension aux bornes du condensateur, c’est la variation de tension que
l’on peut admettre, si elle n’est pas précisée, on prendra de 5% à 10% de VTmax.
Si on utilise un régulateur de tension, elle est imposée, on utilisera alors Vmax – Vmin.
Alimentations
13
JFA11
 Exemple 1 :
Calculer le condensateur d’une alimentation de 5V, 1A.
C
Ic.dt 1.20 mS

 0 ,2 F : ce qui est énorme !
dVc
0 ,1
 Exemple 2 :
Calculer le condensateur d’une alimentation de 5V, 1A dont la tension minimum est de
7V, alimentée par un transformateur de 220V / 9V (on négligera la tension de diode).
C
Ic.dt 1.20 mS

 3491µF : ce qui est mieux !
dVc 9. 2  7
On choisira donc un condensateur de 4700µF, avec une tension de service de
9. 2  12,72V minimum soit 16V normalisé.
VII ). Choix de la diode :
 Pour le courant direct :
C’est le même que celui de la résistance, donc il doit être supérieur à
VRmoy V̂R
IDmoy  IRmoy 

.
R
R
Attention à la première pointe de charge, la diode doit pouvoir la supporter.
 Pour la tension inverse :
Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse =  2.VTmax
I). Filtrage en redressement double alternance (avec pont de graëtz) :
I ). Définition :
Le filtrage est effectué par un condensateur, qui permet de rendre la tension redressée par la diode
encore plus continue (positif ou négatif).
II ). Schéma :
D1
R1
FC4
VT
VR
D3
VC
D2
C
R2
FC3
D4
Alimentations
14
JFA11
III ). Etude :
 Si VT > VC+2.VD :
Les diodes D1, D4 sont passantes, donc VC =VR = VT  1,4V.
Les diodes D2, D3 sont bloquées.
VD1 = VD4 = 0,7V ; VD2 = VD3 =  VT
 Si VT < VC+2.VD :
Les diodes D2, D3 sont passantes, donc VC =VR =  VT  1,4V.
Les diodes D1, D4 sont bloquées.
VD2 = VD3 = 0,7V ; VD1 = VD4 =  VT
IV ). Chronogrammes :
VT ; VR ; IR ; IC
Alimentations
15
JFA11
VT ; VD ; ID ;
V ). Calculs des valeurs moyennes et efficaces :
Si le condensateur est bien choisi, la tension de sortie est continue, donc :
VRmoy  V̂T  2.VD  V̂T  1,4V
Une tension de 10V crête redressée double alternance, est équivalente à une tension continue de
8,6 V.
La tension efficace n’est plus intéressante.
VI ). Calcul du condensateur :
A partir de l’équation du condensateur, on a :
C
Ic.dt
dVc
On peut utiliser les composants de la décharge pour déterminer les valeurs :
Ic est le courant de décharge, et Ic  IRmoy 
VRmoy
R
dt est le temps de décharge, c’est approximativement T/2.
dVc est la variation de tension aux bornes du condensateur, c’est la variation de tension que
l’on peut admettre, si elle n’est pas précisée, on prendre de 5% à 10% de VTmax.
Si on utilise un régulateur de tension, elle est imposée, on utilisera alors Vmax – Vmin.
Alimentations
16
JFA11
 Exemple 1 :
Calculer le condensateur d’une alimentation de 5V, 1A.
C
Ic.dt 1.10 mS

 0 ,1F : ce qui est énorme !
dVc
0 ,1
 Exemple 2 :
Calculer le condensateur d’une alimentation de 5V, 1A dont la tension minimum est de
7V, alimentée par un transformateur de 220V / 9V (on négligera la tension de diode).
C
Ic.dt 1.10 mS

 1745 µF : ce qui est mieux !
dVc 9. 2  7
On choisira donc un condensateur de 2200µF, avec une tension de service de
9. 2  12,72V minimum soit 16V normalisé.
Donc le condensateur est 2 fois moins gros en double alternance par rapport au simple
alternance.
VII ). Choix des diodes :
 Pour le courant direct :
C’est celui de la résistance
IRmoy VRmoy V̂R
IDmoy 


.
2
2.R
2.R
divisé par 2, donc il doit être supérieur à
Attention à la première pointe de charge, les diodes doivent pouvoir la supporter.
 Pour la tension inverse :
Sur le chronogramme, on remarque que VD inverse =  VTmax
J). Stabilisation à diode zener :
I ). Définition :
La stabilisation permet de rendre encore plus continue la tension de sortie (positif ou négatif).
II ). Schéma :
RZ
S R1
S R4
VC
DZ
S R2
Alimentations
VS
S R3
17
JFA11
III ). Etude :
 Si VC > VDz :
La diode DZ est passante, donc VS =Vz.
VRz = VC  VS.
 Si VC < VDz :
La diode DZ est bloquée, donc VS =VC.
VRz = 0.
IV ). Chronogrammes :
VT ; VS ; VC ;
V ). Calcul de la diode zener et de la résistance RZ :
Si le montage est à vide, IS=0, donc Iz = IRZ :
Iz max 
V̂R
Rz
Par contre si IS ≠ 0, Iz=IRZ  IS. On remarque donc qu’il existe une charge maximum au
montage qui annule le courant dans la zener, il n’y a donc plus de stabilisation !
Pour que la zener puisse jouer son rôle de stabilisation, il faut qu’il y ait un courant minimum
qui la traverse soit IZ min de 1 mA à 10mA.
Alimentations
18
JFA11
Donc : RZ 
VC  VZ
avec IZmax < IZmin + IS
IZ min IS max
 Exemple :
Calculer la résistance de stabilisation et la diode zener d’une alimentation de 5V, 10mA avec
une tension filtrée de 7V.
U
22
7 5
2
RZ 

 133  et PRZ  RZ 
 33 mW  1 / 4W
RZ
120
5mA  10 mA 15mA
2
Pour la diode zener, il faudra qu’elle supporte un courant à vide de 15mA soit
Pz=5,1.0,015=0,075 W
Avec une tension de zener de 5,1V
K). Stabilisation à diode zener et transistor :
I ). Définition :
Pour des puissances de stabilisation plus importantes, on ajoute un transistor, car on est vite limité
en puissance.
II ). Schéma :
T1
SR1
SR4
VS
RZ
VC
DZ
CZ
SR2
SR3
III ). Etude :
 Si VC > VDz :
La diode DZ est passante, donc VS =Vz - VBE.
VRz = VC  Vz.
 Si VCE < VC < VDz :
La diode DZ est bloquée, donc VS =VC - VCE.
 Si 0 < VC < VCE :
Alimentations
19
JFA11
Le transistor est bloqué, donc VS =0.
IV ). Chronogrammes :
VT ; VS ; VC ;
V ). Calcul de la diode zener et de la résistance RZ :
Si le montage est à vide, IS=0, donc Iz = IRZ :
Iz max 
V̂R
Rz
Par contre si IS ≠ 0, Iz = IRZ  IB. On remarque donc qu’il existe une charge maximum au
montage qui annule le courant dans la zener, il n’y a donc plus de stabilisation !
Pour que la zener puisse jouer son rôle de stabilisation, il faut qu’il y ait un courant minimum
qui la traverse soit IZ min de 1 mA à 10mA.
Donc : RZ 
Et Ib max 
VC  VZ
avec IZmax < IZmin + Ibmax
IZ min  Ib max
IS max

 Exemple :
Calculer la résistance de stabilisation et la diode zener d’une alimentation de 5V, 1A avec une
tension filtrée de 7V.
Alimentations
20
JFA11
U RZ
22
7 5
2
RZ 

 133  et PRZ 

 33 mW  1 / 4W
RZ
120
5mA  10 mA 15mA
2
Pour la diode zener, il faudra qu’elle supporte un courant à vide de 15mA soit
Pz=5,1.0,015=0,075 W
Avec une tension de zener de 5,6V
L). Régulation :
Stabilisation : on définit une consigne et on laisse le système agir.
Régulation : on définit une consigne, on "regarde" en sortie que l'on a la valeur attendue et on "rectifie"
pour l'avoir (en plus ou en moins suivant le cas).
En régulation, on cherche toujours à avoir mesure = consigne
En stabilisation, il n'y a pas de mesure de la valeur de sortie !.
I ). Définition :
Pour effectuer la régulation, on utilise un régulateur de tension.
II ). Schéma :
1
SR1
IN
GND
U1 LM78XX
OUT
2
SR4
3
VS
VC
C1
C2
C3
SR2
SR3
0
III ). Calculs :
La tension VSR1-VSR4 appelée tension de régulation (CrossOver) doit être au minimum de 2V.
IV ). Choix des composants :
Le régulateur :
On choisira un 78XX pour une tension positive ;
On choisira un 79XX pour une tension négative ;
Le XX sera replacé par la valeur de tension que l’on veut en sortie.
7805 pour une tension de sortie positive de 5V.
7915 pour une tension de sortie de -15V.
Le condensateur C2 :
C’est un condensateur de filtrage de parasite qui compense la faible bande passante de C1, il doit
être non polarisé, et de valeur de 100nF à 1uF.
Le condensateur C3 :
Alimentations
21
JFA11
C’est un condensateur de filtrage de parasite qui compense la faible stabilité du régulateur, il doit
être soudé le près du régulateur pour éviter son oscillation. Il doit donc être non polarisé pour avoir
une bande passante élevée.
Mais il doit être de forte capacité pour servir de réservoir en cas d’appel de courant important ;
Ce qui est contradictoire !
On solutionne le problème en mettant un condensateur polarisé au tantale de 0,1uF à 10uF.
M). Refroidissement :
Alimentations
22
JFA11