Alimentation à commutation
Génération d'autres tensions d'alimentation
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Pratiquement tous les appareils utilisent des alimentations à commutations qui sont meilleur marché qu'une alimentation à transfo. Actuellement à partir d'une certaine puissance, il est même nécessaire d'utiliser une alimentation à commutation pour avoir un facteur de puissance suffisant.
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Cette alimentation a un petit transfo au secondaire pour fournir le courant du filament de l'affichage fluorescent. L'affichage nécessite une tension de chauffage d'environ 2V (alternatif) avec une tension de polarisation de -15V. Un afficheur fluorescent est en fait une triode à chauffage direct avec des anodes qui sont recouvertes de matière fluorescente.



Les bobinages de ce transfo peuvent être adaptés si nécessaire, ce qui est une bonne chose s'il faut des tensions différentes sans devoir utiliser un doubleur de tension.

Nous avons une alimentation de récupération d'un magnétoscope ou d'un lecteur de DVD que nous voulons utiliser pour nos projects électroniques. En l'occurence il nous faut une tension de 160V 20mA pour alimenter des tubes nixie. Il nous faut également 5V (0.5A) pour le processeur et l'électronique associée et 12V (0.1 à 0.5V) pour des lampes témoins.

Durée de vie des composants

La plupart des alimentation peuvent tenir le coup plus longtemp que l'appareil dans lequel elles sont utilisées. Le magnétoscope traine au fond de l'armoire, le lecteur de DVD ne lit plus de disques,... Il est fort possible que l'alimentation soit encore bonne.

Un problème récurrent de ces alimentations, c'est qu'elles sont fabriquées le meilleur marché possible. Au lieu d'utiliser un électrolytique de 470µF/25V on va se contenter d'un de 220µF/16V. L'appareil fonctionne, mais tombera en panne plus vite. Lors de la conception d'un nouvel appareil, on fait plus attention au coût de l'appareil qu'à la qualité des composants.

Dans de nombreux cas, la durée de vie d'un apapreil n'a plus d'importance: la télé est dépassée au bout de quelques années: elle ne peut plus montrer le nouveau format, la résolution est trop basse, les voisins ont un écran plus grand,... A l'époque, une télévision avait une durée de vie de plus de 10 ans. En 1970, pratiquement tous les ménages avaient encore une télé en noir et blanc qui avait 10 ans d'age, alors qu'il y avait déja des émissions en couleur. Les gens ne passaient à la couleur que quand leur ancienne télé était en panne. Mais évidemment, ils avaient connu les années de guerre et de disette...

On n'attend pas d'une tablette ou d'un smartphone qu'il dure plus de deux ans: techniquement il sera dépassé bien avant. Facebook est chargé très lentement et certaines applications ne veulent même plus démarrer avec un appareil de plus de deux ans. Chaque mise à jour rend l'appareil encore plus lent. Les mises à jours devraient être destinées à améliorer le fonctionnement de l'appareil, or c'est le contraire qui se produit: après la mise à jour l'appareil travaille encore moins vite qu'avant. Cela ne sert à rien de vendre l'appareil avec une meilleure batterie, car l'appareil n'est pas utilisé plus de deux ans.

Il y a par contre des appareils qui doivent continuer à fonctionner: le thermostat de la maison, l'alarme, la port du garage,... Et chez moi, la commande de mon chauffage par ordinateur, mon serveur internet: je n'ai pas envie de les remplacer tous les deux ans.

Mais revenons à notre alimentation à commutation. La première chose à faire c'est de vérifier les condensateurs électrolytiques. Ce sont surtout les condensateurs sur la ligne du +5V qui sont mis à rude épreuve (et également ceux de la ligne +3.3V s'il y en a une). Les condensateurs commencent à fuir et la capacité qui était déjà à la limite est maintenant trop faible. Peut-être que le lecteur de DVD n'était pas en panne, c'était seulement les condensateurs qui devaient être remplacés.

Comme il y a un système de régulation de la tension, toutes les tensions deviennent instables s'il y a un condensateur qui devient trop faible. Après remplacement des condensateurs, l'appareil est à nouveau en ordre (pour autant que le manque de régulation n'a pas endommagé l'appareil).

Après le remplacement des condensateurs, il faut maintenant voir quelles tensions l'appareil fournit (c'est parfois indfiqué sur la plaquette). Le 5V sert souvent de référence, les autres tensions ne sont pas stabilisées. Cela veut dire que si on met une charge sur le +5V, la tension de 12V augmente à 15V. Et inversément, si on charge le 12V, sa tension tombe à 10V. Il n'est pas trop difficile de déplacer les composants qui servent à la régulation.

Diodes Schottky

On utilise souvent une diode schottky pour les tensions de +3.3 et +5V. Il s'agit d'une diode avec une faible chute de tension. Une diode normale a un chute de tension de 0.7V pour un courant de 2A, ces diodes ont une chute de tension de 0.2V. En conduction, la diode normale consomme 1.4W, une diode schottky ne consomme que 0.4W (14% et 4% de la puissance nominale consommée sous 5V). Sur la ligne 12V 1A la perte est de 6 et 2% dans la diode.

Les diodes schottky ne sont pas parfaites, et c'est pour cela qu'elles ne sont utilisées que pour les très basses tensions. Elles ont un courant de fuite relativement important quand elles sont polarisées inversément, et ce courant augmente exponentiellement avec la température. La diode peut ainsi facilement être détruite par une température trop élevée. A cause du courant inverse important, ces diodes ne sont normalement pas utilisées pour des tensions élevées (la tension inverse maximale est de 200V).

Une caractéristique de ces alimentations à découpage, c'est qu'elles fonctionnent en asymmétrique. Le transistor de commutation au primaire est en conduction ou est isolé et la puissance qui est accumulée dans le transfo lors de la commutation est fournie au secondaire quand le transistor n'est plus en conduction.

Lors de la commutation, il y a des pics négatifs qui apparaissent, ce qui fait que les diodes schottky ne peuvent être utilisées que pour les lignes 3.3 et 5V. Cela ne vaut pas la peine d'utiliser une diode schottky plus chère pour le 12V, les pertes par conduction en polarisation inverse sont plus importantes que les pertes par la chute de tension en polarisation normale quand la température dépasse les 50°. Et les pertes augmentent avec l'augmentation de la température: c'est le circle vicieux des diodes schottky.

Tensions d'alimentation et images d'oscilloscope

Ces alimentations fournissent d'autres tensions que le +5V et le +12V: par exemple du +40V pour la tension varicap (tension d'accord par diodes varicap dans le tuner), du -30V pour l'alimentation d'un affichage fluorescent et +3.3V pour les alimentations récentes.

Regardez comment les diodes sont placées au secondaire: un bobinage ne peut pas à la fois fournir du +5V et du -5V (comme c'est le cas avec les transformateurs normaux).

Si tu utilises un oscilloscope, tu verras que la forme de la tension au secondaire est vraiment bizarre (nous mesurons ici sur le bobinage qui va fournir le +5V). La tension positive monte à 5.4V, tandis que les pointes négatives vont à -20V. Mais attention: ces creux ne peuvent pas être utilisés: le transistor de commutation risque de rapidement claquer si c'est le cas car le transformateur ne peut pas transmettre correctement sa puissance.

On peut dire en général que la surface au dessus de la ligne de 0V doit être identique à la surface en dessous de la ligne de 0V:

  • Surface au dessus: la diode est en conduction et l'énergie enmagasinée dans le transfo est transférée à la charge au secondaire
  • Surface en dessous: le transistor est en conduction et l'énergie du réseau est pompée dans le transformateur.
Si les deux surfaces ne sont pas identiques, le transformateur risque de se magnétiser en permanence. Il va alors entrer en saturation: à ce momment le bobinage se comporte comme une simple résistance (de quelques dixaines de Ωs. Le courant n'est plus limité et le transistor grille immédiatement.

La seconde image d'oscilloscope montre une oscillation après que l'énergie est transférée à la charge au secondaire. L'oscillation n'est pas un défaut ou une panne: elle ne transporte aucun courant.

Les deux images montrent deux alimentations qui ne fournissent qu'une puissance minimale, c'est pour cela que le transistor n'est en conduction qu'un tout petit instant. Si la charge augmente, le temps de conduction du transistor augmente aussi.

Exemple pratique

La première étape c'est de voir quelles tension sont nécessaires, et comment les fournir. Nous avons besoin de
  • 5V 0.5A pour le processeur,
  • 12V 0.1 à 0.5A pour des lampes-témoin et
  • 160V 20mA pour l'afficheur à tubes nixie.

L'alimentation fournit

  • du 3.3V (que nous n'utilisons pas),
  • du 5V (stabilisé),
  • du 12V (qui devient 14V quand on ne tire que 0.1A) avec le bobinage S1 et
  • du 18V avec les bobinages S1 et S2 en série.
Le 18V est la tension maximale que l'alimentation fournit, et c'est donc ce bobinage que nous allons utiliser pour fournir la haute tension. Il y a 65V (peak to peak) sur les bobinages S1 et S2.

Nous réalisons notre premier doubleur de tension avec C1. Nous obtenons donc 65V (la tension peak to peak) + 12V, la tension de base (l'anode de D2 est branchée au +12V et non à la masse). Nous avons ainsi +77V sur C5

Nous construisons un second doubleur avec C2. Nous avons à nouveau 65V + 77V, sur C6 nous mesurons 141V. Il est possible de monter C2 comme C2A, qui nous donne un rendement un peu plus élevé, mais C2A doit être conçu pour une tension un peu plus élevée. Comme nous travaillons ici avec des tensions relativement basses, il vaut mieux utiliser le montage avec C2A (tension maximale de 200V).

Nous construisons notre troisième étage avec C3. Nous avons ici 65V + 141V. Nous mesurons +204V sur C7. C6 et C7 peuvent également être branchés comme sur le schéma (condensateurs en vert), mais ici aussi la tension relativement basse fait qu'un branchement série n'est pas le plus recommandé.

Une application où on utilisait le montage série des condensateurs (et des diodes) c'est pour la fourniture de la tension des tubes cathodiques. Il faut 25kV et il est plus aisé d'utiliser des diodes et des condensateurs pour 8.5kV. Nous avons alors C1, C2 et C3A en série du coté alternatif et C5, C6A et C7A du coté continu. Il y a au maximum 8.5kV sur C5, C6A et C7A, et les diodes doivent également être conçue pour cette tension.

Le montage série donne une moins bonne stabilisation de la tension (résistance interne élevée). Aussi bien pour la branche alternative que pour la branche continue, les condensateurs sont en série. Si vous utilisez pour C1, C2 et C3A des condensateurs de 1µF, la dernière diode voit en fait un condensateur de 0.33µF (et même moins, puisque les condensateurs fournissent en plus du courant aux branches latérales). Si vous choisissez 1µF pour C3A, il faudra prendre 2µF pour C2 et 4µF pour C1. Il faut suivre le même raisonnement pour C7A et C6A.

La ligne haute tension ne peut pas être trop chargée, pas spécialement à cause des condensateurs en série, mais parce que la charge doit être la plus asymmétrique possible, alors qu'ici la charge est symmétrique. Si le courant est de 20mA sur 204V, le bobinage doit lui pouvoir fournir 120mA.

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