GELE4011 Chapitre 5: Alimentation électrique

GELE4011 Chapitre 5:
Alimentation électrique
Gabriel Cormier, Ph.D., ing.
Université de Moncton
Automne 2010
Gabriel Cormier (UdeM)
GELE4011 Chapitre 5
Automne 2010
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Contenu
1
Introduction
2
Courbe de régulation CC
3
Alimentation bipolaire non-régulée
4
Régulateur de tension
5
Régulateurs variables
6
Circuit de protection externe
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Introduction
Introduction
Alimentation électrique : conversion CA - CC
Non-régulée : le niveau CC diminue si on augmente le courant à la
charge,
Régulée : La tension CC est stable, sans ondulations.
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Introduction
Transformateur
Transformateur : réduire la tension du réseau
120/24
12Vrms
+
120Vrms
24Vrms
CT
−
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Introduction
Redressage
Pont de diodes : redresser la tension
1
120/24
34V
34V
2
Alimentation flottante : pas de + ou − spécifiques.
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Introduction
Filtrage
Condensateur pour filtrer : 500µF ou plus
+
VL
Vcc ≈ 34V
C
−
Sortie sans charge
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Introduction
Charge
L’ajout d’une charge fait diminuer la tension de sortie
iL = 1A
1000µF
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RL
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Pleine charge
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Introduction
Charge
VL
30
∆vo = 5V
20
Vcc = 24V
10
0
t
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Introduction
Charge
Effet de la charge :
La tension CC diminue lorsque I augmente
Ondulation CA : ∆vo
Ondulations augmentent si I augmente
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Introduction
Charge
Ondulations :
∆vo ≈
IL
200C
où
∆vo ≈ 3.5Vrms
avec Vrms = tension mesurée par un voltmètre CA
Tension instantanée minimale :
VLmin = Vccpc −
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∆vo
2
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Courbe de régulation CC
Mesure de la variation CC
A
1000µF
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RL
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V
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Courbe de régulation CC
Mesure de la variation CC
Courbe typique :
O
34
A
Vcc
24
0
1
Icc
Point O : Vcc = Em , Icc = 0
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Point A : Vccp c = 24V, IL = 1A
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Courbe de régulation CC
Modélisation du comportement
Modélisé par une résistance de sortie Ro :
Vccpc =
RL
Vcc
RL + Ro sc
ou,
Vccsc = Vccpc + Ipc Ro
où Ipc est le courant à pleine charge.
On utilise la courbe de régulation pour calculer la résistance Ro .
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Courbe de régulation CC
Exemple
Pour une alimentation électrique ayant Em = 34V, Vccpc = 24V, Ipc = 1A,
1
Calculer la résistance interne Ro ,
2
Donner la tension CC à mi-charge (IL = 0.5A)
a) Selon les équations précédentes,
Ro =
Vccsc − Vccpc
34 − 24
=
= 10Ω
Ipc
1
b) La tension à mi-charge est :
Vcc = Vccsc − Ro IL = 34 − (0.5)(10) = 29 V
Note : le 5V perdu est interne à l’alimentation et cause une dissipation
de (5)(0.5) = 2.5W en chaleur.
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Courbe de régulation CC
Résistance interne Ro
Ro modélise :
Pertes internes du transformateur
Pertes dans les diodes
Pertes des condensateurs
Pertes du câblage
Seule la contribution totale est importante
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Courbe de régulation CC
Exemple
Faire la conception d’une alimentation CC non-régulée pour obtenir 12V à
1A avec moins de 10% d’ondulations.
On sépare le design en deux parties :
1
La partie CC donne la taille du transformateur et des diodes,
2
La partie CA donne la taille du condensateur.
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Courbe de régulation CC
1) Partie CC : On a deux équations de design :
Vccsc = Vccpc + Ipc Ro
et
Vccsc = Em
Or, on ne connaı̂t pas Ro . Puisqu’on ne sait pas quel transformateur
utiliser, on ne peut pas mesurer Ro . Il faut estimer, faire les calculs
appropriés, puis réviser si nécessaire.
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Courbe de régulation CC
Exemple
On estime Ro = 10Ω. Alors,
Vccsc = 12 + (1)(10) = 22 V = Em
et
Em
Erms = √ = 15.6 V
2
⇒ acheter un transformateur 120V/15.6V, (pas possible). Il faut aussi
vérifier la puissance maximale dissipée, et puisqu’on utilise un pont de
diodes, on doit choisir un transformateur ayant Isec = 1.8Ipc , ce qui donne
Isec = 1.8A ou plus.
On peut trouver un transformateur de 16V, à 2.2A, soit le modèle 166L16
de Hammond Manufacturing.
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Courbe de régulation CC
Exemple
Choix du pont de diodes :
Choisir les diodes selon le courant moyen et la tension crête maximale
(PIV).
Choisir une diode ayant
Imoy > Ipc ,
PIV = Vccsc + 20%
Exemple : DF005-G de Comchip Technologies.
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Courbe de régulation CC
Exemple : Partie CA
Ondulations :
Vrms = (%ond)(Vccpc ) = (0.1)(12) = 1.2 V
et l’ondulation :
∆vo = 3.5(1.2) = 4.2 V
Condensateur :
C=
IL
= 1190µF
200∆vo
Choisir un condensateur plus grand que la valeur calculée, ex :
C = 1500µF.
Note : Les condensateurs ont eux aussi une tension crête maximale
(WVDC). Choisir WVDC = Vccsc + 20%.
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Courbe de régulation CC
Exemple : Design total
Transformateur : 120/16V à 2.2A
Pont de diodes : 50V à 1A
Condensateur : 1500µF, WVDC = 25V ou plus
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Alimentation bipolaire non-régulée
Alimentation bipolaire
Nécessaire pour plusieurs dispositifs électroniques
Utiliser deux secondaires, ou
Transfo avec accès central (center tap)
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Alimentation bipolaire non-régulée
Alimentation bipolaire
1
120/24
+
√
VL = 2 · 12
= 17V
C+
CT
−
√
VL = 2 · 12
= −17V
C−
2
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+
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Alimentation bipolaire non-régulée
Trois configurations possibles
1
Alimentation
1
+17V
CT
2
Alimentation
+17V
2
−17V
a) Alimentation bipolaire
CT
+34V
b) Alimentation positive double
1
Alimentation
CT
2
−17V
−34V
c) Alimentation négative double
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Alimentation bipolaire non-régulée
Désavantages
Tension CC diminue si le courant augmente
Ondulations CA augmentent si le courant augmente
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Régulateur de tension
Régulateur
120V
Alimentation
non-régulée
VL
VL
Régulateur
de tension
60Hz
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Régulateur de tension
Classification
1
Polarité : positif ou négatif, ou double
2
Bornes : 3 bornes ou plus
3
Fixe ou variable : certaines valeurs fixes sont ±5V, ±12V, ±15V et
variable de 1.2V à 37V ou −1.2V à −37V.
4
Courant de sortie : 0.1A, 0.25A, 0.5A, 1.5A, 5A, 10A.
Exemple : LM7818CT, de Fairchild Semiconductor, qui fournit 1A à la
sortie, de 18V.
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Régulateur de tension
Régulateur
Nécessite 0.5V à 3V de marge
3V minimum
IN
−
+
OUT
+
LM340K-15
0.22µF
GND
1µF
RL
15V
−
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Régulateur de tension
Tension d’entrée
Tension minimale à l’entrée :
VLmin = Vccpc −
∆vo
2
Exemple : pour le LM340K-15, il faut 18V à l’entrée du régulateur (marge
de 3V, et sortie de 15V). Si les ondulations sont 5V à pleine charge, la
tension CC à pleine charge est donc :
Vccpc = VLmin +
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5
∆vo
= 18 + = 20.5 V
2
2
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Régulateur de tension
Désavantages
Nécessite un dissipateur thermique
Ex : LM7805 nécessite 2V de marge, avec 1A : 2W
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Régulateurs variables
Régulateur variable
IN
OUT
+
1.25V
−
LM317
C1
ADJ
+
R1
R2
C2
vo
RL
−
La tension de sortie est ajustée par R2
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Régulateurs variables
Régulateur variable
Résistance R1 suggérée par le manufacturier : 240Ω, ce qui donne un
courant de 5mA dans R1 et R2 (le courant qui sort de ADJ est
négligeable). La tension totale de sortie est la somme des tensions dans R1
et R2 :
R2
vo = 1.25 + 5R2 = 1.25 1 +
240
Comme exemple, pour alimenter un circuit TTL (5V), il faut utiliser
R2 = 760Ω.
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Régulateurs variables
Désavantage
Consommation de puissance supérieure
Ex : 5V à la sortie : 25mW
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Circuit de protection externe
Protection
D1
IN
OUT
+
LM317
D2
C1
R1
C2
ADJ
R2
C3
vo
RL
−
C2 ≈ µF, C3 ≈ 10µF.
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Circuit de protection externe
Protection
D1 protège contre les court-circuits à l’entrée
C3 améliore les ondulations CA
D2 protège contre les court-circuits à la sortie
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