Alimentations unipolaires

Quand le transistor est mis en conduction, un courant commence à circuler. L'augmentation du courant est limitée par la self-induction du bobinage. Si on laisserait le transistor continuellement, le courant deviendrait tellement important qu'il grillerait le transistor. L'énergie est stockée sous forme de champ magnétique dans le fer (c'est généralement de la ferrite, composée de fines particules pour limiter les pertes par courant de foucault). L'énergie stockée pourrait être assimilée à l'énergie cinétique des électrons dans la self.

Quand la conduction du transistor est stoppée, l'énergie enmagasinée doit pouvoir s'échapper du circuit magnétique. L'énergie est transférée à un second circuit via une diode qui entre en conduction quand le transistor est coupé. Parfois l'énergie est transférée à un second bobinage, mais le principe reste le même. Le transfert à un second bobinage permet d'isoler le primaire du secondaire.

Le convertisseur buck ou hacheur série fournit une tension plus basse que la tension d'alimentation. L'interrupteur conduit ou non le courant et la self-induction lisse ce dernier. La diode permet le passage du courant quand l'interrupteur est ouvert. Plus le différentiel de tension est élevé, et plus le temps de conduction du transistor est faible.

Ce convertisseur peut être conçu pour fournir un courant de sortie relativement constant grâce à la self en sortie. L'ondulation résiduelle en tension est alors diminuée.

Le convertisseur boost ou step up permet d'augmenter la tension. Quand le transistor est en conduction, le courant circule dans le bobinage. Le courant est limité par la self induction, car la résistance ohmique du bobinage est généralement très faible. Le transistor doit être mis hors conduction avant que le courant ne devienne trop important. Ce montage a comme avantage que le transistor de commutation fonctionne par rapport à la masse, ce qui simplifie la réalisation pratique du circuit.

Le convertisseur boost a comme avantage un courant en entrée qui peut être relativement constant (self en entrée).

Le convertisseur buck-boost ou flyback est la troisième mouture du même circuit. La polarité en sortie est inversée à celle de l'alimentation. Si l'alimentation est positive par rapport à la masse, la sortie est négative.

Ces montages permettent un fonctionnement avec le courant dans l'inductance qui devient nul ou non (conduction continue ou intermittente). Le convertisseur buck est généralement construit de telle manière qu'un courant résiduel continue à circuler dans le bobinage, l'ondulation résiduelle est alors plus faible.

Le convertisseur Cuk est un convertisseur boost (source, self, transistor et diode) suivi d'un convertisseur buck (diode et self de sortie).

Ce montage a comme avantage qu'il peut linéariser le courant en entrée et sortie (c'est par exemple nécessaire pour améliorer le facteur de puissance des alimentations connectées au réseau).

Dans le cas d'alimentations à découpage avec isolation entre les deux système (avec bobinage primaire et secondaire) on utilise principalement la configuration boost (plus aisée à mettre en œuvre). Dans un tel circuit il n'y a pas de différence entre un montage buck ou buck-boost au primaire. Le circuit est généralement conçu pour avoir un fonctionnement discontinu (courant nul dans le bobinage en fin de temps de conduction de la diode), ce qui permet de transférer toute l'énergie stockée dans la self.

Le terme flyback provient du monde des téléviseurs préhistoriques (ceux à écran cathodique) ou le tube (ou transistor, dans les toutes dernières versions) qui assure la déflection ligne alimente également un transformateur pour produire la très haute tension. Cette tension est générée au moment où le transitron est hors conduction pendant le retour de ligne.

Dans toutes ces alimentations de type "hacheur", le courant ne circule que dans un sens dans le transformateur. Pour éviter les risques de saturation, il faut que la self ait un entrefer. La tension en sortie ne dépend pas uniquement du rapport de transformation (pour une self normale ce rapport est de 1), mais du duty cycle (rapport cyclique) du temps de conduction du transistor. Pendant la conducton, le transistor apporte l'énergie à la self et quand le transistor n'est pas en conduction cette énergie est transférée à l'utilisateur. Quand l'utilisateur ne consomme pas toute l'énergie qui lui est envoyée, la tension en sortie a tendance à augmenter (sauf dans le cas du convertisseur buck). La régulation de la tension en sortie est plus complexe qu'avec une alimentation en pont en H (décrite plus loin).

Le convertisseur buck est un cas à part, en ce sens que le courant dans le bobinage est également déterminé par la charge. Si le courant consommé est nul, le courant dans le bobinage devient également nul. Avec les autres types de convertisseurs, la tension en sortie a tendance à augmenter fortement si la charge est nulle (si le rapport cyclique n'est pas adapté).

Alimentations en pont en H (onduleurs)

Noyeau d'un transformateur (entrefer très réduit) et d'une inductance (à entrefer important)

Comme le champ magnétique change de sens à chaque période, on peut éliminer l'entrefer (ou du moins très fortement le réduire). Il faut naturellement que le noyeau ne puisse pas entrer en saturation, autrement l'inductance du bobinage s'effondre et le courant croït de façon catastrophique. Les calculs pour la réalisation d'une alimentation de ce type sont différents, mais la réalisation pratique est plus simple. Il suffit en effet d'adapter le temps de conduction des transistors pour moduler le transfert de puissnce.

Dans ce type d'alimentation, le rapport de transformation entre primaire et secondaire détermine la tension maximale en sortie. La tension peut être réduite en réduisant le rapport cyclique, en fait en augmentant le temps pendant lequel aucun transistor n'est en conduction (temps mort).

Contrairement aux convertisseurs à hacheurs, il n'y a pas de stockage d'énergie dans le bobinage, mais l'énergie est directement transférée au secondaire pendant la conduction du transistor.

Ces alimentations doivent nécessairement avoir des diodes de roue libre pour permettre au courant qui n'est pas utilisé au secondaire de retourner à l'alimentation après le temps de conduction du transistor. Malgré le temps de conduction des transistors qui reste constant dans certaines alimentations plus rudimentaires, la consommation électrique est moindre à charge réduite, car le courant non utilisé est renvoyé à l'alimentation.

Dans une alimentation à hacheur, l'énergie accumulée est transférée à la charge quand le transistor passe hors conduction, dans le cas d'une alimentation en pont en H, l'énergie non consommée par la charge est retransférée à l'alimentation pendant la phase non-conductive. Dans le cas d'une alimentation à hacheur (alimentation asymmétrique), la tension au secondaire augmente fortement si le temps de conduction du transistor n'est pas réduit, puisque l'énergie accumulée dans le bobinage ne peut pas être évacuée autrement.

Mais voyons cela plus end étail avec un pont en H classique. A l'instant zéro, nous avons les transistors A high et B low en conduction. Le courant dans le transformateur circule dans un sens.

Puis nous allons inverser le sens du courant, mais on va ajouter un temps mort (très important!) où aucun transistor n'est en conduction. Ce temps mort est nécessaire pour réduire de façon douce le courant (et donc le champ magnétique) dans le transfo. Le courant circule maintenant via la diode B high et A low. Ce qui se passe en fait, c'est que l'énergie qui a été pompée dans le transfo et qui n'a pas été utilisée est renvoyée à l'alimentation.

Puis c'est la procédure inverse, avec le transistor B high et A low qui sont en conduction.

On peut adapter le transfert de puissance en modifiant le temps de conduction des transistors, chaque paire de transistors conduisant au maximum 48% du temps (les 2% restants, c'est la période où aucun transistor n'est en conduction.

Ce montage qui a un rendement très élevé peut être utilisé pour des puissances énormes, plusieurs mégawatt s'il le faut. Les pertes dans les transistors sont très limitées et le système de stabilisation est relativement aisé à réaliser.

On trouve également de tels montages dans les onduleurs industriels qui fournissent du triphasé (pont en H avec 6 transistors). Les variateurs de fréquence (VFD) servent à alimenter les moteurs pour assurer un démarrage progressif et une vitesse variable.

Pour les applications de puissance intermédiaire, on peut se passer de la moitié du pont, les deux transistors manquants sont remplacés par de gros condensateurs électrolytiques. Dans la plupart des applications, ces condensateurs sont de toute façon nécessaires, ce n'est donc pas une dépense supplémentaire.

Le second montage est à doubleur de tension. Si on l'alimente en 230V alternatifs, on obtient 600V continus. Mais on peut également utiliser un redresseur en pont, avec le commun des condensateurs flottant. C'est ce système qu'on utilisait dans les anciennes alimentations d'ordinateurs avec commutation 110/220V.

Le point commun des condensateurs, même s'il n'est pas alimenté (redresseur avec pont de Graetz), se stabilise à la moitié de la tension d'alimentation si la commande des deux transistors est symmétrique.

Le montage en pont en H complet est également utilisé pour la commande de petits moteurs à courant continu (moteurs à aimants permanents), le pont permet de faire tourner le moteur dans les deux sens, et en employant la self-induction du bobinage du moteur on peut même faire varier la vitesse du moteur dans de grandes limites. Dans ce moteur le rotor contient le bobinage et le stator est composé d'aimants permanents.

On peut également commander des moteurs pas-à-pas avec un tel montage. Ces moteurs ont plusieurs bobinages et la rotation est obtenue en alimentans successivement un des bobinages. Ici le rotor est l'aimant permanent et le stator se compose de bobinages. Les circuits de commande de moteurs sont généralement disponibles sous forme de circuits intégrés de puissance.

Et pour terminer signalons l'existence d'alimentations symmétriques parallèle où on n'utilise que deux transistors au lieu de 4, et ces transistors meuvent être commandés via une tension relative à la masse, ce qui facilite grandement la conception du circuit.

Ce circuit, j'en ai réparé des masses... Il était utilisé dans les "boosters", les amplificateurs de voiture pour produire une puissance plus élevée que la puissance nominale des autoradios. Le convertisseur était utilisé pour transformer le 12V de la batterie en +50 et -50V pour alimenter un ampli classique.

Ce montage est idéal pour les basses tensions, mais n'est pas recommandé pour les tensions élevées. Le drain du transistor qui n'est pas en conduction reçoit une tension double de la tension d'alimentation. Cela ne pose évidemment aucun problème pour l'alimentation d'un ampli de voiture, mais c'est moins interessant pour des alimentations qui travaillent sur la tension de secteur.

La récupération de l'énergie non utilisée au secondaire est moins optimale et ces alimentations sont surtout utilisées pour les basses tensions et puissances moyennes. On peut régler la tension de sortie en modifiant le temps de conduction des transistors.

Ce type d'alimentation peut fournir un sinus parfait à 50Hz si on utilise un transformateur classique et si on commande le transistor avec un signal adapté. Le rendement d'une telle alimentation est nettement moindre que celui d'une alimentation à cummutation rapide, mais elle ne produit pas de parasites à la commutation. Ce type d'alimentation est utilisé dans les systèmes critiques (alimentations de secours pour unités de soins intensifs) où la qualité du signal doit être optimale.