Le hacheur série : principe de fonctionnement

Le hacheur série : principe de fonctionnement

Le hacheur série permet de transformer une tension continue fixe en une tension d'alimentation plus faible réglable par l'utilisateur. Par exemple hacheur série peut servir de variateur de vitesse pour les moteurs à courant continu. Il est constitué d'un transistor interrupteur, d'une diode, d'une inductance et d'un condensateur.


Principe de fonctionnement du hacheur série


Pour faire très simple, imaginez une ampoule et un interrupteur. Vous pouvez soit allumer l'ampoule, soit l'éteindre. Il semble difficile de faire varier sa luminosité (la graduer) et pourtant... Imaginez maintenant qu'avec votre main (très rapide !), vous puissiez allumer et éteindre l'ampoule très rapidement, si rapidement qu'elle n'a ni le temps de s'allumer à fond, ni le temps de s'éteindre complètement. La luminosité de l'ampoule sera intermédiaire parce qu'il s'agit d'une moyenne dans le temps. La tension que reçoit l'ampoule est intermittente. Elle est "hachée" par l'interrupteur. C'est le principe du hacheur série.

 

Hacheur série simple

 

Présentons le hacheur série dans sa forme la plus simple : la charge (ampoule, résistance, etc), le transistor interrupteur et la source de tension d'entrée.

 

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Hacheur série simple : l'interrupteur est un transistor

 

L'interrupteur peut être soit ouvert, soit fermé. Dans les explications qui suivent, la charge est une ampoule (pour la pédagogie !).

 

On peut appeler Vs la tension de sortie du hacheur série : Vs est la tension aux bornes de l'ampoule. Ve est la tension d'entrée du montage, c'est la source de tension continue.

 


Le hacheur serie principe de fonctionnement 1

Hacheur série : fermé (en haut), ouvert (en bas)

 

Hacheur série fermé : ampoule allumée. Vs=Ve.
Hacheur série ouvert : ampoule éteinte. Vs=0.

 

L'intérêt du hacheur série (qui est un transistor ou un thyristor) est de pouvoir allumer et éteindre des milliers de fois par seconde, contrairement à un interrupteur qu'on ne peut manoeuvrer qu'au rythme de sa main...

 

Valeur moyenne de la tension de sortie du hacheur série

 

La tension de sortie Vs est périodique de période T. On peut limiter le raisonnement sur une période.

 

Le hacheur serie principe de fonctionnement 2

Allure de la tension de sortie du hacheur

 

La tension de sortie vaut tantôt Vs, tantôt 0.

 

Pendant la durée α.T (0<α<1), la tension Vs est égale à Ve.
Pendant la durée qui reste ((1-α)T) pour finir la période, la tension Vs est égale à 0.

 

α (alpha) représente le pourcentage du temps où l'interrupteur est fermé, c'est-à-dire Vs=Ve. α est appelé le rapport cyclique.

 

La valeur moyenne de Vs est notée <Vs>. Elle se calcule en faisant la moyenne pondérée suivante :

 

<Vs> = (αT.Ve +(1-α)T.0)/T

 

En simplifiant, on arrive au résultat à retenir :

 

<Vs> = α.Ve

 

Exemples :

Si α = 1, Vs est tout le temps égale à Ve. On a donc <Vs> = ve.
Si α = 0, Vs est tout le temps égale à 0. On a donc <Vs> = 0.
Si α = 0.5, Vs est la moitié du temps égale à 0, et l'autre moitié égale à Ve. On a <Vs> = Ve/2.

 

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Tension de sortie du hacheur série pour un rapport cyclique α de 0.2 et de 0.8

 

Lissage de la tension de sortie du hacheur série

 

Pour éviter que la tension de sortie soit "hachée", il faut ajouter des éléments qui vont la lisser, c'est-à-dire réduire ses variations. Pour cela, on ajoute une inductance, un condensateur et une diode. En sortie du hacheur série, on branche une résistance (charge résistive).

 

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Allures de la tension de sortie : hachée ou lissée, laquelle préférez-vous ?

 

Rôle de l'inductance dans le hacheur série

 

L'inductance est un composant clé du hacheur série. C'est à cause de l'inductance qu'une diode (la diode de roue libre) est nécessaire. En effet, lorsque l'interrupteur s'ouvre, le courant dans l'inductance ne peut pas s'arrêter brutalement. La diode de roue libre permet au courant de trouver un chemin.

 

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Hacheur série sans diode de roue libre

 

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Hacheur série avec diode de roue libre

 

Fonctionnement du hacheur série

 

Le fonctionnement du hacheur série sur charge résistive peut se récapituler ainsi :

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Hacheur série : fermé (en haut), ouvert (en bas)

 

Lorsque le hacheur est fermé, la diode de roue libre est bloquée. A ses bornes se trouve la tension Ve mais en inverse. Aucun courant ne traverse la diode.

 

Lorsque le hacheur est ouvert, la continuité du courant dans l'inductance est assurée par la diode. Sans la diode, une surtension apparaîtrait (grande valeur de di/dt, donc de L.di/dt) et détruirait immédiatement le hacheur.

 

Analogie mécanique inductance - inertie

 

Le courant dans l'inductance ne pas s'interrompre brutalement. Il est continu dans le temps. L'inductance est à comparer à un volant d'inertie (qu'on ne peut pas stopper brutalement).

 

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Analogie mécanique du hacheur série et de l'inductance

 

Rôle du condensateur dans le hacheur série

 

Le condensateur lisse la tension tout en servant de réserve d'énergie. Il est utile pour une charge résistive. Si le hacheur série sert de variateur de vitesse pour un moteur, on peut le supprimer.
On peut aussi voir qu'il s'agit d'un filtre LC passe bas d'ordre 2 qui conserve la valeur moyenne mais lisse les variations.

 

Dans le cas où le courant dans l'inductance ne s'annule jamais (conduction continue), on a toujours la relation :

 

<Vs> = α.Ve

 

Ce résultat est dû au fait que la tension moyenne aux bornes d'une inductance est toujours nulle.

 

Applications du hacheur série

 

- variateur de vitesse pour moteurs à courant continu (hacheur série sur charge inductive)
- gradateur de puissance (charge résistive)
- cours et exercices pour terminale STI

 

Alimentation à découpage

 

Le hacheur série n'est rien d'autre qu'une alimentation à découpage abaisseuse de tension ("hacheur dévolteur") appelée Buck. La tension de sortie n'est pas isolée de la tension d'entrée, contrairement à un transformateur.

Avis des internautes en moyenne 3.58 pour 36 votes
  Le hacheur série : principe de fonctionnement, publié par nina67 le 4 Avril 2012
Les 10 outils indispensables pour l'électronique
Nina67
30 COMMENTAIRES
merci

jaime

jacklabd

j'ai trouvé l'explication intéressante merci

Sinasquax

A quoi sert l'inductance ? La diode sert pour l'inductance mais pourquoi mettre une inductance ?

nina67

bonjour, l'inductance sert à lisser le courant pour permettre au condensateur d'avoir une tension plus régulière. Sans inductance, le condensateur se chargerait brutalement à la fermeture de l'interrupteur et sa tension attendrait la tension d'entrée. On ne pourrait donc pas abaisser la tension avec ce montage. La diode sert à la continuité du courant dans l'inductance. Sans cette diode, une surtension apparaitrait et détruirait l'interrupteur (transistor). Cordialement

abdonnour

merci pour cette explication

bb

juste une confirmation.lexplication est bien clair

T K E

merci pour l'explication

je cherche une application pratique pour hacheur série

bonj: si vous pouvez m'aidez à réaliser un hacheur série (partie puissance +partie commande ) et me montrez des exemples.

nina67

bonjour, pour réaliser un hacheur série, il s'agit en fait d'une alimentation à découpage de type abaisseur. En anglais "step down" ou "buck". Les paramètres à connaître sont la tension d'entrée min et max, le courant de sortie souhaité, la tension de sortie souhaitée, etc. La plupart des circuits intégrés contiennent le transistor (exemple : LM2576, LM2575, etc). Cordialement,

ismail

maintenant, aprés ceca je comprend bien le cours des hacheurs, merci à tous

mosesgoble

comment calibre t on la diode roue libre. cordialement

nina67

Bonjour mosesgoble, la diode de roue libre doit être rapide (schottky ou ultra fast recovery), sa tension inverse doit être au moins égale à l'alimentation d'entrée et le courant égal au courant de sortie (pire cas). Cordialement

toinoux

vraiment bien ce site , expliquation concis et clair

salah chouchen

comment faire une modélisatio d'un panneau solaire avec matlab

KHEMIRI

merci de m'expliquer la déférence entre hacheur série et hacheur parallèle -D’après vos explication on utilise le hacheur comme un variateur de vitesse c'est vrai ou non

hacheur

merci pour l explication plus facile

jeyv83

Bonjour. J'utilise, sur un proto d'EV, un contrôleur de courant programmable: On peut fixer une tension stable, entre 20 et 300V, et fixer un courant maxi (entre 50 et 1000A) Ce courant est variable, suivant la position de l'accélérateur, entre 0A et le maxi programmé. Ce systéme comporte donc un hacheur dévolteur stable imbriqué dans un hacheur de courant variable. Je n'ai aucune compétence en électronique mais le principe me semble plus compliqué que celui que decrit votre schéma. Pourriez vous m'éclairé ? Merci d'avance.

nina67

Bonjour jeyv83, je pense que la principale différence, c'est que dans le cas de votre régulateur, il y a une mesure du courant pour assurer une bonne régulation. Le reste, c'est l'électronique de commande qui n'est pas simple, et qui n'est pas présentée dans cet article. Cordialement

jeyv83

Merci pour votre réponse rapide qui, malheureusement, ne m'éclaire pas beaucoup. Ces systémes ne sont pas trés satisfaisants et j'aurai quelques "intuitions" pour améliorer ça, raison pour laquelle je cherche à comprendre. Auriez vous des "liens" que je puisse contacter pour plus de détails ? Merci encore d'avance.

jeyv83

Merci pour votre réponse rapide qui, malheureusement, ne m'éclaire pas beaucoup. Ces systémes ne sont pas trés satisfaisants et j'aurai quelques "intuitions" pour améliorer ça, raison pour laquelle je cherche à comprendre. Auriez vous des "liens" que je puisse contacter pour plus de détails ? Merci encore d'avance.

nina67

Bonjour, je n'ai pas de liens particuliers, ne m'étant jamais penché sur la question. désolé de ne pas pouvoir vous aider davantage. cordialement

Charles

Je suis passionné de physique merci pour les explications. Charles

electro4

merci pour votre explication ;j'ai une question svp :vraiment je ne comprend pas pourquoi on commande une MCC par un hacheur et pourquoi pas de la commander par une source continue directement et merci d'avance.

nina67

Bonjour electro4, le but est de faire un variateur sans que le variateur ne dissipe de la chaleur. Si on faisait une tension continue réglable avec un régulateur de tension linéaire (type LM317 ajustable), il y aurait un échauffement du LM317. C'est l'avantage des alimentations à découpage sur les alimentations linéaires. Cordialement

ZIZO

c bon sa;;;j'ai une question pour le sens de courant d'inductance aprés le bloquage de hacheur

anna.ahmd

Merci

anna.ahmd

J'aimerai que vous m'explique l'action du hacheur sur le courant moyen du charge on apprit dans le cours que Ie=alpha×Is est ce que c'est? j'ai pas pu le demontré

nina67

Bonjour anna.ahmd, il faut calculer le courant moyen sur une période. Pendant la durée "on" alpha.T, le courant d'entrée Ie vaut Is. Pendant la durée "off" (1-alpha).T, le courant d'entrée vaut 0. D'où la moyenne alpha.Is

anna.ahmd

Merci beaucoups vous etes genti j'ai comprie maintenent c'est claire

zinazina

je veux comprendre le rôle des hacheurs

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