REGULATION ET ALIMENTATION

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 Vhaché_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
R
C
V
V
r
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 Ve
en tension pic-pic.
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
VCEsat
, très inférieure à la valeur
VE−VS
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.
On considère dans l'étude théorique le
cas du régulateur série abaisseur de tension
(Figure 1).
On introduit deux éléments nouveaux
essentiels: une inductance L et une diode D.
Durant la phase de saturation du transistor,
l'inductance L est soumise à une tension
VE−VCEsat −VS
. Si la résistance
RL
de la
bobine est suffisamment faible, le courant
iL
augmente linéairement jusqu'à la valeur maximum
IL
. Pendant ce temps, l'inductance se charge en
énergie magnétique.
Le condensateur C permet de filtrer la
tension de sortie, ce qui pose peu de problèmes
+
-
•
•
R1
R2
V
E
V
S
IC
Ic
Id
D
M
I L
circuit de contrôle
Q
L
+
-
Is
C
Figure 1
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
VE
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:
VS=1
T∫
0
θ
VEtdt=θ
TVE
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
TC
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 ci-dessous 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
C0
.Figure 2
L'oscillateur est constitué par un générateur de courant qui charge et décharge linéairement la
capacité extérieure
C0
. La durée
TC
d'un cycle charge-décharge de la capacité est fixée par sa
propre valeur
C0
.
La valeur normale
VSN
de la tension de sortie
VS
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
VS
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 ci-dessous (V : tension aux bornes de la capacité d’accord de l’oscillateur).
VSVSN
VSVSN
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
C0
. Ceci a pour effet de réduire le temps de conduction du transistor et par suite l'énergie stockée
dans l'inductance L.
θ < T
T
TC
θ
t
V
θ = T
TC
θ
t
V
θ = T θ
t
V

PREPARATION THEORIQUE
Charge et décharge d'un condensateur
C0
par une source de courant
Donner l'expression du potentiel instantané
v0t
aux bornes de
C0
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
v0t
à
travers
R0
à partir de la valeur maximale
V0
.
Charge d'une inductance L par une tension en créneaux
Donner l'expression
iLt
du courant qui
circule dans l'inductance L quand on applique un
échelon de tension d'amplitude E.
rt
est la résistance
totale du circuit de charge de L.
Déterminer
rt
(la résistance totale du circuit de charge de L).
Donner une expression simplifiée du courant de charge
iLt
pour des valeurs telles que
τc
>>t (développement limité de
e
−t
τc
).
Sous cette hypothèse, calculer la valeur maximale
IL
atteinte par le courant
iLt
en
fonction de la durée
θ1
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, RDRL
: mesurer (visualiser) les courants dans les branches où
elles se trouvent. Court-circuiter ces résistances si elles ne sont pas utilisées pour la mesure.
Prendre :
VE=5V
,
C0=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
v0t
aux bornes de la capacité
C0
d'accord de l'oscillateur, du courant
iLt
dans l'inductance L et de la tension en sortie
immédiate du transistor
vT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
VS
en fonction de variations de la tension
VE
.
(
C0=33 pF
,
L=100 H
,
RC=330 
, tension d'entrée :
VE
< 7 Volts).
Influence de la résistance de charge sur la tension de sortie
VE=5Volts
,
C0=33 pF
,
L=100 H
. La résistance de charge
RC
varie de 3 à 3300
Ω. Relever la tension de sortie
VS
.
Faire de tableaux et commenter les résultats

EPUNSA, Dép. Elec
2ème année
T.P. d'Electronique
ALIMENTATIONS A DECOUPAGE
Appareils
Nb Fonction Marque Type
1 Oscilloscope 2 voies H.P. HP 54600B
2 15 MHz Function Generator H.P. HP 33120A
1 DC Power Supply Tektronix PS 280
1 Multimeter H.P. HP 34401A
1 Support Leybold
1 Boîtier de résistances PSY R80
1 Diode 1N4004
1 Condensateur 100 µF
Résistances (x1) 100 Ω, 3.3 ΚΩ