tp6 : alimentation a decoupage : hacheur serie et convertisseur

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TP6 : ALIMENTATION A DECOUPAGE : HACHEUR SERIE
ET CONVERTISSEUR STATIQUE ABAISSEUR DE TENSION
INTRODUCTION
Le réseau alternatif industriel fournit l’énergie électrique principalement sous des
tensions sinusoïdales de fréquence et d’amplitude fixes (50 Hz-220 V). Les batteries
d’accumulateurs ou les photopiles solaires génèrent quant à elles des tensions continues
fixes (48 V, par exemple). Or, de nombreuses applications nécessitent des tensions et des
fréquences autres que celles qui sont imposées par le réseau ou les batteries, et parfois
continûment variables. Cette conversion d’énergie, autrefois réalisée par des
convertisseurs électromécaniques est aujourd’hui essentiellement effectuée, dans un large
domaine de puissance, par des convertisseurs statiques de faible entretien, moins
volumineux et plus performants, qui se sont développés grâce aux progrès constants des
composants électroniques de puissance. Leurs applications concernent les alimentations
de secours, de sécurité et de nombreux appareillages industriels et domestiques
(ordinateurs, téléviseurs, …), mais aussi l’électrochimie et l’électrométallurgie, le
conditionnement de l’électricité et, enfin, la variation de vitesse des machines électriques
tournantes. Cette dernière utilisation intervient dans le domaine de la traction électrique,
mais aussi dans toutes les techniques de fabrication, de plus en plus complexes du fait des
exigences croissantes (au niveau des produits finis: qualité, prix, économie d’énergie...)
de l’industrie moderne (robotique, automobile, aéronautique…).
OBJECTIFS DE LA MANIPULATION
Le but principal de cette manipulation est l'étude du fonctionnement d'un convertisseur
abaisseur de tension ("buck converter") commandé par modulation de largeur d'impulsion
(M.L.I.) (Figure 1). L'alimentation choisie entre dans la classe des convertisseurs
statiques de type alimentation à découpage. On verra pas à pas comment, à partir d'une
source de tension continue, on peut alimenter une charge électrique sous tension
pratiquement continue et réglable.
D C
D C
v
e
v
s
i
e
i
s
Source
Convertisseur
Charge
α
(Commande)
Figure 1

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A l'issue de la manipulation, (et après consultation du cours et des TD), l'étudiant doit
savoir aborder ou traiter les notions suivantes :
- Fonctionnement d’un hacheur série.
- Méthode de commande par modulation de largeur d'impulsion (principe, rapport
cyclique).
- Formes d’ondes lors d’un fonctionnement sur charge résistive et expression de la
tension de sortie moyenne.
- Influence de l’inductance de filtrage et de la fréquence sur l’ondulation du courant de
sortie du hacheur.
- Influence de la capacité de sortie et de la fréquence sur l’ondulation de tension en
sortie du convertisseur, aux bornes de la charge.
TRAVAIL PRELIMINAIRE
Outre la lecture complète de la manipulation, un exercice préliminaire (signalé dans la
marge par un trait brisé), permettant de mieux comprendre la démarche et la problématique
d’une alimentation à découpage, vous est proposé.
MATERIELS MIS À DISPOSITION
- une alimentation continue réglable 0-60V 20A,
- une platine de commande de hacheur (Figure 2),
- un hacheur 80V/10A (Figure 3).
- 2 résistances de 6,8 Ω et 10 Ω et 2 rhéostats (33 Ω, 6 A et 10 Ω),
- une boîte de selfs,
- une boite de condensateurs,
- une sonde de courant instantané 20A,
- un oscilloscope numérique.
Figure 2
Figure 3

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PRECAUTIONS ET RECOMMANDATIONS
Il est impératif de faire vérifier tous les montages à chaque modification. Ne pas
dépasser 10A de courant moyen de charge !
Lorsqu'un nouveau montage est demandé, ne pas décâbler systématiquement le
précédent avant d'avoir vérifié si une partie ne peut pas être conservée !
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MANIPULATION
Comment réaliser une conversion continu/continu (dc/dc) ?
Une telle alimentation a pour fonction, à partir d'une source de tension fixe, de délivrer
des tensions continues stables et variables. Outre le fait que la tension fournie doit être
indépendante de la charge (du moins dans une certaine plage de fonctionnement), le
rendement de ces dispositifs est souvent un facteur primordial, notamment lorsqu’ils sont
utilisés dans les systèmes embarqués.
Le cahier des charges est donc d’avoir une tension stable (indépendante de la charge) avec un
rendement le meilleur possible.
Décrivons quelques dispositifs permettant de faire cette conversion dc/dc et déterminons leurs
avantages et inconvénients.
1. En utilisant des ponts diviseurs de tension (voir le TD correspondant)
- Déterminer la tension Vch aux bornes de la charge pour le dispositif ci dessous :
Vs =
- Comment appelle t-on couramment ce circuit ?
- Ce circuit a t-il une tension stable quand la charge varie ?
- Pour quelle valeur de R1 et Rch ce dispositif de conversion à un rendement maximum ?
- Quel élément introduit des pertes dans la conversion ?
- Déterminer la tension Vs pour le dispositif ci dessous :
Figure 4
Vs =
- On suppose que Rch>>R2 : Quel conséquence cette hypothèse a sur :
• La stabilité de la tension Vs vis à vis des variations de la charge ;
• Le rendement du dispositif.
- On suppose que Rch<<R2 : Quel conséquence cette hypothèse a sur :
R1 Rch
Vs
E
R1 Rch
Vs
E
R2
Convertisseur abaisseur dc/dc
Convertisseur abaisseur
dc/dc

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• La stabilité de la tension Vs vis à vis des variations de la charge.
• Le rendement du dispositif.
- Pour une valeur quelconque de Rch, quelle est la relation entre R1 et R2 qui permet d’avoir un
rendement maximum.
– Dessinez le schéma électrique du montage de la figure 4 en utilisant un rhéostat de 10 Ω
pour fixer les valeurs de R1 et de R2 pour avoir un rendement maximum et en y intégrant
un Wattmètre pour mesurer la puissance dissipée dans la charge ainsi qu’un ampèremètre
et un voltmètre pour mesurer le courant et la tension moyenne aux bornes de la charge.
La charge sera composée d’une résistance de 6,8 Ω pouvant être mise en série ou en
parallèle avec une résistance de 10 Ω.
– Réalisez le montage et faite vérifier le schéma et le montage par un enseignant.
– Remplissez le tableau 1 ci-dessous en fixant E = 10V.
– Conclusion par rapport au cahier des charges ?
Rch (Ω)
4 6,8 10 16,8
Vs (V)
Pch (W)
η
tableau 1
2. En utilisant une alimentation à découpage
Pour augmenter le rendement des convertisseurs continu/continu, le principe développé
dans les alimentations à découpage est de découper la tension (cellule hacheur) puis de la
filtrer. Ce type d'alimentation a des rendements de l’ordre de 65 à 90% par rapport aux
alimentations à régulation linéaire dont leur rendement de 35 à 55% (principalement dû à la
puissance dissipée dans le transistor ou la diode ballast).
La puissance volumique des alimentations à découpage est ainsi bien meilleure. Leurs
principaux avantages et inconvénients sont développés au cours de ce TP.
1 - ETUDE DE LA STRUCTURE HACHEUR SERIE
1-1 Fonctionnement de la platine de commande par Modulation de Largeur d’Impulsion
(MLI)
On se propose d'étudier la platine représentée sur la Figure 2. Cette platine MLI délivre
un signal carré de rapport cyclique α variable (voir la figure 5), utilisable pour piloter les
commutations d'un interrupteur de puissance.