REGULATION ET ALIMENTATION
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EPUNSA, Dép. Elec 2ème Année T.P. d'Electronique ALIMENTATIONS A DECOUPAGE I. Le mécanisme de régulation à découpage Le but de cette première partie de la manipulation est la compréhension du mécanisme de régulation par découpage. Dans la seconde partie on examinera un régulateur (ou alimentation) à découpage. On considère pour cela qu'un générateur HP délivre un signal sinusoïdal de 50 Hz comparable à ce qui serait délivré au secondaire d'un transformateur branché au 220 V EDF. On cherche à transformer ce signal en un signal à peu prés continu et à réaliser un système de régulation permettant de maintenir la consigne malgré d'éventuelles fluctuations. I.1. Partie théorique Soit un signal sinusoïdal de fréquence 50 Hz ; V(t)=Vo sin 2πFt Donner sa transformée de Fourier et sa valeur efficace. Ce signal est haché par un signal de type porte ce qui peut s'apparenter à un échantillonnage naturel. La fréquence du signal de découpage est de 1000 Hz. En première approximation, la valeur efficace du signal haché V haché_eff est donnée par la racine carrée du rapport cyclique du signal de découpage multiplié par la valeur efficace du signal initial. Donner la relation permettant d’obtenir Vhaché_eff en fonction de τ largeur de la porte. I.2. Partie expérimentale Découpage Générer un signal sinusoïdal de fréquence 50 Hz sur le générateur HP 33120A. Redresser et filtrer ce signal à l'aide d'un montage équivalent à une détection d'enveloppe en modulation d'amplitude. On prendra r =100 Ω, R = 3,3 KΩ, C=100 µF, afin de fournir une tension pseudo continue Vr à la charge R qui est aussi la charge nominale. r V R C Vr Tracer la courbe de Vr =f(Veff) pour quelques valeurs de 0V à la tension de sortie maximale du générateur en utilisant l’oscilloscope et le contrôleur. Mettre en sortie du générateur la tension la plus élevée possible. Réaliser à l'aide d'un second générateur le signal carré de fréquence 1 KHz et de rapport cyclique 80 %. Réaliser le découpage du signal sinusoïdal Ve(t) par ce signal carré. Afficher un spectre correct à l'oscilloscope du signal ainsi obtenu. Donner les réglages de l’oscilloscope. Commentaires et comparaisons par rapport à la partie théorique. Régulation asservie manuellement On veut maintenir une tension régulée de 4,5 V malgré d'éventuelles variations d’amplitude de la tension Ve(t). Régler l’amplitude de Ve(t) pour avoir les 4,5 V régulés initiaux sur la charge nominale de 3,3 K Ω en l’absence de découpage. Tracer le pourcentage de rapport cyclique du signal carré à appliquer en fonction d’une augmentation de la tension Ve(t), pour maintenir 4,5 V. Aller jusqu’à la limite de régulation. Donner V e en tension pic­pic. On veut maintenir une tension régulée de 4,5 V malgré d'éventuelles variations de la charge. Rester à la limite de régulation précédente. Tracer le pourcentage de rapport cyclique du signal carré à appliquer, en fonction d’une augmentation de la résistance de charge, pour maintenir 4,5 V. Partir de 10 KΩ et aller jusqu’à la limite de régulation. II. Alimentations à découpage Dans les régulateurs à découpage, on s'efforce de faire travailler le transistor ballast exclusivement en régime bloqué ­ saturé. Ainsi, sa dissipation est minimale, puisque proportionnelle à la tension de déchet V CEsat , très inférieure à la valeur V E −V S des régulateurs linéaires. Ceci posé, le problème consiste à obtenir en sortie une tension stable en agissant sur le transistor par tout ou rien. Pour ce faire, différentes solutions sont possibles. On va s'intéresser à la solution retenue par Texas Instruments pour son circuit intégré TL497. Ic On considère dans l'étude théorique le Is L M cas du régulateur série abaisseur de tension + (Figure 1). IL On introduit deux éléments nouveaux R1 essentiels: une inductance L et une diode D. + Durant la phase de saturation du transistor, Q V VS • l'inductance L est soumise à une tension E D V E −V CEsat −V S . Si la résistance R L de la bobine est suffisamment faible, le courant i L Id ­C R2 augmente linéairement jusqu'à la valeur maximum • I L . Pendant ce temps, l'inductance se charge en ­ IC circuit de contrôle énergie magnétique. Le condensateur C permet de filtrer la Figure 1 tension de sortie, ce qui pose peu de problèmes puisque la fréquence de découpage peut être élevée (quelques dizaines à quelques centaines de KHz). En première approximation, on peut négliger la chute de tension dans la diode (de l'ordre de la tension de seuil soit 0.6 à 0.7 Volts pour une diode au silicium). On découpe la tension V E en bloquant ­ saturant le transistor à une fréquence fixée par le circuit de contrôle. Soit θ la durée de la phase de découpage. Elle correspond à la charge progressive du condensateur C de sortie jusqu'à une tension de référence. Le découpage est suivi d'un temps mort pendant lequel C se décharge lentement puis le découpage recommence. La durée total d'un cycle (découpage + temps mort) est T. On a: 1 V S= T θ θ ∫ V E t dt= T 0 VE Pour réguler la tension de sortie, on peut agir sur le rapport cyclique θ/ T avec T fixe. Ce type d'alimentation est bien adapté à la conversion des fortes puissances. Pour les faibles puissances, il est souvent plus facile d'agir sur T, en maintenant θ fixe (ce qui sera le cas dans le TP). L'alimentation à découpage TL497 Il s'agit d'un circuit intégré monolithique, travaillant à durée de conduction T C fixe et à fréquence de découpage F variable. Ce circuit intègre divers éléments comme cela apparaît figure 2. Le TL497 est conçu pour accepter autour de lui différents composants annexes, en particulier la diode D et l'inductance L et donner naissance à trois types d'alimentations, selon l'agencement des composants externes. On donne ci­dessous 3 types d'alimentation à découpage réalisables avec le TL497 (montages inverseur, abaisseur et élévateur de tension continue, figures 3, 4, 5). Les rendements indiqués sont obtenus pour des conditions optimales de fonctionnement. Dans tous les cas, le découpage est commandé par un oscillateur interne dont la fréquence est réglée par l'adjonction d'une capacité externe C 0 . Figure 2 L'oscillateur est constitué par un générateur de courant qui charge et décharge linéairement la capacité extérieure C 0 . La durée T C d'un cycle charge­décharge de la capacité est fixée par sa propre valeur C 0 . La valeur normale V SN de la tension de sortie V S est fixée par le pont de résistances R1 , R2 et la référence interne 1.2 V. Si la tension à l'entrée est excessive, la capacité de filtrage C reçoit un excès de charge. Le potentiel V S tend à s'élever et ceci conduit le comparateur à stopper le découpage par introduction d'un temps mort à la suite d'une phase de découpage θ. Donc, l'oscillateur ne redémarre pas immédiatement après et l'on observe un cycle total (découpage ­ temps mort) de durée T>θ. Les oscillogrammes de principe de alimentation à découpage TL497 sont indiqués sur la figure ci­dessous (V : tension aux bornes de la capacité d’accord de l’oscillateur). V V θ TC θ = T T θ < T θ t V S V SN t V S V SN Le circuit TL497 possède un système de limitation de courant qui protège le transistor et la charge et évite de saturer l'inductance au moment du démarrage de l'alimentation. L'information est prise aux bornes d'une résistance 1 Ω placée en série avec le transistor de puissance. Lorsque la tension aux bornes de cette résistance dépasse la valeur habituelle d'une tension de jonction base ­ émetteur, le limiteur injecte un courant de charge de sens convenable dans la capacité de commande C 0 . Ceci a pour effet de réduire le temps de conduction du transistor et par suite l'énergie stockée dans l'inductance L. PREPARATION THEORIQUE Charge et décharge d'un condensateur C 0 par une source de courant Donner l'expression du potentiel instantané v 0 t aux bornes de C 0 durant sa charge. Si θ1 est la durée de la charge imposée par un système relaxateur (par exemple un transistor unijonction), donner l'expression de la tension de décharge v 0 t à travers R0 à partir de la valeur maximale V 0 . Charge d'une inductance L par une tension en créneaux Donner l'expression i L t du courant qui circule dans l'inductance L quand on applique un échelon de tension d'amplitude E. r t est la résistance totale du circuit de charge de L. Déterminer r t (la résistance totale du circuit de charge de L). Donner une expression simplifiée du courant de charge i L t pour des valeurs telles que τ c >>t (développement limité de −t e τc ). Sous cette hypothèse, calculer la valeur maximale I L atteinte par le courant i L t en fonction de la durée θ 1 de la charge. Calculer de même la puissance moyenne reçue par l'inductance L. TRAVAIL EXPERIMENTAL Montage inverseur de tension (Fig. 6) Rôle des résistances RT , R D R L : mesurer (visualiser) les courants dans les branches où elles se trouvent. Court­circuiter ces résistances si elles ne sont pas utilisées pour la mesure. Prendre : V E =5 V , C 0 =470 pF , L=100 H , RC =100 . Ces conditions de mesure peuvent être éventuellement modifiées pour mieux mettre en évidence certains phénomènes. Utiliser une sonde capacitive (capacité de sonde ~ 11 pF). Relever les oscillogrammes de la tension de commande v 0 t aux bornes de la capacité C 0 d'accord de l'oscillateur, du courant i L t dans l'inductance L et de la tension en sortie immédiate du transistor v T t . Commenter les relevés d’oscillogrammes Influence des variations de la source sur la tension de sortie Etudier les variations de la tension de sortie V S en fonction de variations de la tension V E . ( C 0 =33 pF , L=100 H , RC =330 , tension d'entrée : V E < 7 Volts). Influence de la résistance de charge sur la tension de sortie V E =5 Volts , C 0 =33 pF , L=100 H . La résistance de charge RC varie de 3 à 3300 Ω. Relever la tension de sortie V S . Faire de tableaux et commenter les résultats EPUNSA, Dép. Elec 2ème année T.P. d'Electronique ALIMENTATIONS A DECOUPAGE Appareils Fonction Marque 1 2 1 1 Oscilloscope 2 voies 15 MHz Function Generator DC Power Supply Multimeter H.P. H.P. Tektronix H.P. 1 1 1 1 Support Boîtier de résistances Diode Condensateur Résistances (x1) Leybold PSY Nb 100 µF 100 Ω, 3.3 ΚΩ Type HP 54600B HP 33120A PS 280 HP 34401A R80 1N4004
