Alimentation à découpage pour ampli : mesures (2)

Quelles sont les allures des courants et des tensions dans une alimentation à découpage en demi pont en charge ? Cet article présente la suite des mesures de tensions et courants dans l'alimentation à découpage pour ampli lorsqu'elle est en charge.

Alimentation à découpage pour ampli : le schéma

Voici le schéma de l'alimentation à découpage testée ici :

Schéma de l'alimentation à découpage pour ampli audio

Maquette de l'alimentation à découpage étudiée

Charge de l'alimentation à découpage : 8 Ohms

L'alimentation est branchée sur le secteur 230V puis une résistance de 8 Ohms / 500W est connectée entre +Vcc et -Vcc (ici, +/-40V). On peut utiliser un ensemble de résistances en parallèle pour réaliser la charge.

Charge de 8 Ohms / 500W utilisée pour les tests

On visualise ci dessous la tension secteur redressée et filtrée par 2 x 470uF/200V (C2 et C3) en série et le courant qui circule dans le primaire du transfo à découpage. Ce test simule un ampli de sono en mode "Bridge" (ponté) qui utilise autant de courant sur l'alternance positive que sur l'alternance négative d'un signal audio.

Tension secteur redressée et courant primaire (2x470uF et 545W en sortie)

On voit l'ondulation 100Hz très significative : le choix de 2 x 470uF au primaire est un peu "juste". Le courant primaire est nettement plus élevé sur les montées de la tension redressée parce que les transistors alimentent non seulement la résistance de 8 Ohms à travers le transfo, mais ils doivent aussi, en même temps, recharger les condensateurs de sortie (sur +Vcc et -Vcc).

Le même test est réalisé, mais avec 2 x 1500uF au lieu de 2 x 470uF au primaire.

Tension secteur redressée et courant primaire (2x1500uF et 590W en sortie)

L'ondulation est bien réduite, et le courant dans le primaire (et donc dans les transistors) est plus régulier. La tension de sortie moyenne est plus élevée (69V au lieu de 66V) parce que la chute de tension due à l'ondulation est plus faible. Le fonctionnement est donc meilleur avec une forte valeur de capacité après le redressement du secteur.

Charge de l'alimentation à découpage : 4 Ohms

Avec 2 x 470uF, la charge connectée est cette fois-ci de 4 Ohms. Il faut impérativement déconnecter la charge au bout de 2 secondes, sinon les composants surchauffent (transistors, transfo et diodes).

Tension secteur redressée et courant primaire (2x470uF et 870W en sortie)

L'ondulation est plus marquée, le courant primaire est plus important.

Résultats de mesure avec 2 x 470uF (cas moins favorable qu'avec 2 x 1500uF)

L'alimentation à découpage pour ampli donne les puissances suivantes lorsque la charge est connectée entre +Vcc et -Vcc.

Puissances et tensions de sortie de l'alimentation à découpage pour ampli

Etant que l'alimentation à découpage n'est pas régulée, la tension chute d'autant plus que le courant de sortie est plus grand. Globalement, cela ressemble à une alimentation classique transfo 50Hz + pont de diode + gros condensateurs (10 000uF/50V par exemple). On obtient tout de même 870 Watts de puissance moyenne en sortie !

Courants dans les transistors et le primaire du transfo

Pour une charge de 8 Ohms en sortie d'alimentation :

Puissance moyenne en sortie d'alimentation à découpage (entre +Vcc et -Vcc) : 545W

Tension moyenne secteur redressée : 299V

Courant drain crête : 18A

Courant drain crête moyen sur 10ms : 13A

Courant drain moyen : 3A

En calculant 299V x 3A, on obtient 897W. Cette valeur n'est pas très réaliste : la puissance moyenne n'est pas égale au courant moyen multiplié par la tension moyenne côté primaire.

Pour une charge de 4 Ohms en sortie d'alimentation :

Puissance moyenne en sortie : 870W

Tension moyenne secteur redressée : 282V

Courant drain crête : 26A

Courant drain crête moyen sur 10ms : 16A

Courant drain moyen : 3.7A

En calculant 282V x 3.7A, on obtient 1043W. Cette valeur semble plus réaliste...

Charge de 8 Ohms entre +Vcc et la masse 0V

Le test réalisé ici sollicite l'alimentation à découpage sur une seule alternance du demi pont. Des pointes de courants apparaissent dans les transistors. La tension -Vcc augmente en valeur absolue lorsque seule +Vcc est sollicitée. Cela est dû au déséquilibre du demi pont et n'est pas souhaitable. Une saturation du transformateur est possible.

Déséquilibre du demi pont de l'alimentation à découpage

Ce phénomène n'est jamais observé sur un ampli audio, même à des fréquences de 20Hz où le haut parleur (ou la charge "fictive" qui le remplace) consomme du courant sur une même moitié d'alimentation pendant 25ms.

Condensateur de liaison et allures du courant

Le condensateur de liaison C4 (1uF/250V) ne représente pas une impédance négligeable lorsque la charge 8 Ohms est en sortie d'alimentation (entre +Vcc et -Vcc) : la tension à ses bornes varie de façon significative.

Tension aux bornes du condensateur de liaison 1uF/250V

La tension aux bornes du primaire du transfo n'est donc pas un créneau : c'est un créneau amputé de la de tension aux bornes du condensateur C4.

Tension au primaire du transfo de l'alimentation à découpage en charge

Les intervalles de conduction sont très espacés : ce n'est pas dû au temps mort, mais à la polarisation inverse des diodes de sortie. La tension instantanée au secondaire du transformateur devient en effet plus petite que la tension aux bornes des condensateurs de sortie. A ce moment, les diodes bloquent et le transfo fonctionne à vide. Il n'y a plus que le courant magnétisant (+/-200mA environ).

Le condensateur de liaison, initialement prévu pour protéger les condensateurs chimiques 200 Volts contre une défaillance d'un des deux transistors, permet en fait une commutation à zéro de courant, ce qui était difficile à prévoir en phase de conception !

La forme du courant est identique pour une charge de 4 Ohms (870W en sortie).

Courant dans le primaire du transfo à découpage

Choix du condensateur de liaison et tension VGS de commande

Pour voir l'influence de la valeur de ce condensateur de liaison (C4), les tests sont faits avec 1uF, 3.3uF et un court-circuit (capacité infinie). La charge est de 8 Ohms / 500W branchée entre +Vcc et -Vcc. La puissance de sortie est de 545W environ.

Tension de grille et courant primaire avec 1uF

Tension de grille et courant primaire avec 3.3uF

Tension de grille et courant primaire avec C4 court-circuité

On constate qu'avec 3.3uF, la conduction des diodes de sortie a lieu sur toute la demi alternance.

Lorsque le condensateur de liaison est court-circuité, la tension aux bornes du primaire est un créneau presque parfait et la tension secondaire entretient la conduction sur toute la demi alternance. La commutation n'est pas à zéro de courant, d'où une perturbation dans la tension de grille lors des commutations. En revanche, le courant drain crête est plus faible (meilleure répartition sur la demie alternance).

Alimentation à découpage à vide

Aucune charge n'est connectée en sortie d'alimentation à découpage. On observe le courant de drain et la tension VGS du MOS d'en bas (Q2).

Courant de drain et tension VGS lors d'un fonctionnement à vide

Le changement de signe du courant de drain est dû à la diode de roue libre intégrée au MOS du demi pont. En observant le courant dans le primaire, on retrouve l'allure triangulaire classique liée à l'inductance magnétisante du primaire du transfo.

Courant primaire et tension VGS lors d'un fonctionnement à vide

On observe le plateau Miller sur la tension VGS. Le plateau Miller reflète la durée de commutation durant laquelle la tension drain source varie rapidement. Un transitoire de courant par la capacité drain-grille stabilise temporairement la tension VGS par effet Miller. Cet effet augmente le temps de commutation et ainsi rend plus plus importantes les pertes de commutation et l'élévation de température des Mosfet.

Conclusion sur les mesures de l'alimentation à découpage

L'alimentation à découpage non régulée se comporte comme une alimentation d'ampli audio traditionnelle à transfo, pont de diode et condensateurs de filtrage.

Le condensateur de liaison en série avec le primaire du transfo joue un grand rôle dans la commutation des hacheurs de l'alimentation à découpage. La valeur de 1uF permet une commutation à zéro de courant dans l'alimentation à découpage utilisée.

Le courant dans les transistors du demi pont atteint 26A en crête lorsque la puissance de sortie est de 870W, mais ne vaut que 6A en moyenne. Des fortes valeurs du filtrage du secteur redressé sont recommandées.

La suite des mesures sur l'alimentation à découpage ici :

Mesure sur l'alimentation à découpage pour ampli : suite (1)

Mesure sur l'alimentation à découpage pour ampli : suite (3)

Mesure sur l'alimentation à découpage pour ampli : suite (4)