Hacheur série : schéma
Nina67 - Mis à jour: mercredi 15 mai 2019 15:19 Cet article présente un schéma concret de hacheur série pour variateur de vitesse. Le hacheur est un transistor commandé en tout en rien par une modulation de largeur d'impulsion (MLI).
Voici un schéma d'un hacheur série simple à réaliser qui peut servir de variateur de vitesse pour moteur par exemple.
Schéma du hacheur série
Voici le schéma tant attendu du hacheur série.
Hacheur série : le schéma
Fonctionnement du hacheur série
Pour illustrer très simplement le principe de fonctionnement d'un hacheur série, il faut imaginer un interrupteur (le hacheur) qui est tantôt ouvert, tantôt fermé, très très rapidement :
Principe de fonctionnement du hacheur série
L'ampoule n'a pas le temps de s'allumer ou de s'éteindre complètement : sa luminosité dépend donc de la proportion du temps où elle est sous tension (réglable de 0% à 100%).
Concernant le schéma présenté ici dans Astuces pratiques, voici quelques explications sur le choix des composants.
Le hacheur série repose sur un circuit intégré (le SG3525) qui pilote la grille du transistor mosfet T2. Le transistor T2 se comporte comme un interrupteur qui peut relier la borne "Sortie -" à la masse ou pas.
D4 est la diode de roue libre nécessaire si la hacheur fonctionne sur charge inductive (appelée RL à cause de l'inductance L et sa résistance série R). La continuité du courant dans la charge inductive (RL) est assurée par la diode de roue libre D4 lorsque le hacheur s'ouvre. La diode interne du transistor ne sert jamais et ne peut en aucun cas remplacer D4 dans ce montage ! Le courant ne "remonte" en effet jamais dans le transistor de la source vers le drain.
Principe de fonctionnement du hacheur et sa diode de roue libre
La résistance R4 est de très faible valeur. Elle permet de créer une tension proportionnelle au courant qui circule dans le transistor hacheur (simple loi d'Ohm). Cette méthode pour détecter une surintensité est très économique, mais engendre de la dissipation de chaleur dans la résistance. Si cette tension atteint un seuil (ici, l'entrée en conduction de T1 autour de 0,7V), une protection se déclenche. Le seuil a lieu autour de 7 Ampères (en pratique, un peu plus).
A un courant de 7A, la dissipation vaut 0,1 x 7² = 4,9W.
Mais à un courant de 3A, la dissipation est inférieure à 1W (elle vaut 0,1 x 3² = 0,9W).
Choix du transistor comme hacheur série
Pour dimensionner le hacheur série, il faut connaître :
- la tension maximum appliquée entre drain et source. Ici, c'est 35V, mais il faut une marge à cause des surtensions transitoires lors des commutations du hacheur
- le courant maximum : ici 7A environ. Pour limiter l'échauffement du transistor, il faut qu'il puisse laisser passer un courant bien plus grand (avoir une résistance Rdson faible).
Par ailleurs, il faut un transistor qui se contente de 3V ou 4V sur sa grille pour être déjà passant. On ne peut pas utiliser n'importe quel transistor mosfet de puissance. On retient ici le IRL540 (équivalent du SiHL540). Il peut déjà laisser passer 10A à une tension de grille de 3V seulement.
Les caractéristiques de ce hacheur sont :
VDS = 100V (bonne marge par rapport aux 35V)
ID = 28A (boitier à 25°C)
Il faut monter le transistor sur un petit radiateur : une plaque de 3x3 cm d'alu convient. Attention, le boitier du transistor est au potentiel du drain. Le radiateur doit être isolé du transistor (mica + rondelle isolante) ou bien le radiateur ne doit entrer en contact avec rien.
Choix de la diode de roue libre
Pour dimensionner la diode de roue libre, il faut connaître :
- la tension max en inverse (ici 35V)
- le courant moyen maximum (ici 5A au pire)
La diode 6A6 fait très bien l'affaire (6A 1000V). Une diode 6A2 convient aussi (6A 200V). On peut utiliser deux 1N5404 ou deux 1N5408 en parallèle.
Commande du hacheur : le SG3525
Le hacheur est commandé par un circuit intégré destiné aux alimentations à découpage.
Rapport cyclique du hacheur série
La broche 16 du SG3525 génère une tension stabilisée de 5V (régulateur linéaire interne). Le potentiomètre P2 crée une tension ajustable de 0V à 5V. Sa valeur est libre entre 10k et 250k (on peut donc mettre un peu n'importe quel potentiomètre récupéré).
Le rapport cyclique du hacheur suit ce fonctionnement :
de 0V à 1,0V sur In+ (patte 2) : 0%
de 1,0V à 3,2V sur In+ : variation progressive de 0% à 100%
de 3,2V à 5,0V : 100%
En jouant sur ce potentiomètre, on règle la tension moyenne de sortie, et donc par exemple la vitesse de rotation du moteur branché à la sortie du hacheur. C7 stabilise la tension continue ajustée par P2.
Le rapport cyclique est fixe pour une position donnée de P2. Il ne dépend pas de la tension d'alimentation. Si la tension d'alimentation varie, la tension de sortie moyenne variera aussi proportionnellement. On dit dans ce cas qu'il n'y a pas de "réjection de la tension d'alimentation". La tension moyenne de sortie n'est pas régulée (par un rapport cyclique qui s'adapte automatiquement) comme dans une alimentation à découpage stabilisée (chargeurs de téléphones, d'ordinateurs, etc).
On peut aussi piloter le rapport cyclique par une tension externe. Dans ce cas là, P2 doit être supprimé.
Fréquence de découpage du hacheur
On peut ajuster sur une très large plage la fréquence de fonctionnement du hacheur. Avec les valeurs choisies ici, la fréquence va de 400Hz à 30kHz environ. R3 ne doit pas être inférieure à 2kOhms (recommandation constructeur). Plus P1 a une forte valeur, plus faible est la fréquence de découpage. C6 est le condensateur nécessaire pour cette partie oscillateur. On peut augmenter ou réduire C6 pour expérimenter.
La fréquence de ce hacheur série est assez basse. Cela présente aussi un avantage pédagogique (facile de connecter un amplificateur audio et un haut-parleur pour mettre en évidence le fonctionnement du hacheur de façon audible).
Commande de la grille du transistor hacheur
Le SG3525 crée 2 tensions de sorties en opposition de phase (OutA et OutB). Comme il n'y a qu'un seul transistor, on peut faire un "ou" logique de ces 2 tensions grâce aux diodes D2 et D3. R1 sert à décharger la capacité de grille de T2 quand les 2 sorties du SG3525 sont au niveau bas.
Alimentation du SG3525
La diode D1 évite la destruction du SG3525 si l'alimentation continue est branchée à l'envers. C2 et C3 lissent et filtrent la tension d'alimentation à proximité du SG3525.
Protection du hacheur série
Si un court-circuit a lieu à la sortie du montage, le courant va grimper dans le hacheur T2. La tension aux bornes de R4 va atteindre 0,7V très rapidement et T1 va entrer en conduction. T1 va décharger C4 très rapidement et la broche 8 ("softstart") va se trouver à un niveau faible, ce qui coupe le SG3525. R2 limite le courant dans la base de T1. Par commodité, R1 et R2 sont fixées à la même valeur (plus facile pour l'approvisionnement des composants...).
Le SG3525 a un fonctionnement assez proche du TL494.
Applications du hacheur série
Le hacheur série est très utile pour faire un variateur de vitesse pour moteur à courant continu ou n'importe quel variateur de puissance sur charge résistive ou inductive.
Mise en pratique du hacheur série
Il suffit d'une source de tension continue entre 9V et 35V qui peut fournir un courant suffisant pour alimenter la charge. Un chargeur de PC portable 19V ou une alimentation d'écran plat 12V fait très bien l'affaire. Bien sur, on peut utiliser un transfo classique, un pont de diodes et un condensateur (2200uF 50V par exemple). A la sortie du hacheur, on relie le moteur à courant continu. Si un sifflement se fait entendre, on peut jouer sur la fréquence (P1). Au delà de 20kHz, aucun sifflement ne peut apparaître.
Réalisation du hacheur
Un autre exemple de hacheur série est proposé dans le kit Velleman K8004.
Kit Velleman K8004 : hacheur série pour variateur de vitesse
On peut réaliser une petite boite qui contient le hacheur et l'alimentation, ici une alimentation 12V 5A continus. Le couvercle de la boite est percé pour rendre possible l'accès aux potentiomètres par un tourne vis.
Construction d'une boite pouvant contenir alimentation + hacheur : du bon bricolage !
jeudi 1 mai 2014 12:20
bjrs, Quel est la puissance maximal que ce genre de variateur peut suppoter. cordialement