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