Alimentation à découpage : principe

Une alimentation à découpage repose toujours sur la commutation haute fréquence pour convertir une tension en une autre.

Alimentation linéaire

Pour faire varier la luminosité d’une ampoule, on peut insérer une résistance en série avec cette ampoule. Cette résistance va dissiper de la chaleur. Cette représente de l’énergie perdue et doit être dissipée par des radiateurs et un refroidissement approprié. C’est ainsi que fonctionnent les régulateurs linéaires. Pour les alimentations qui doivent être de taille réduite et légères (ce que chacun souhaite…), cette structure ne peut pas être utilisée

Principe de l’alimentation linéaire

Le régulateur de puissance se comporte comme une résistance en série avec la charge.

Bon vieux rhéostat qui chauffe

Inconvénients de l’alimentation linéaire

– rendement faible- chaleur à dissiper, radiateurs encombrants- transfo classique 50Hz lourd et encombrant- condensateurs de filtrage de forte valeur- coût élevé

Alimentation à découpage : principe du BUCK

Reprenons l’exemple de l’ampoule. Si on alterne les états « ampoule allumée » et « ampoule éteinte » très rapidement, on pourra graduer la luminosité moyenne en fonction des durées « allumée » et « éteinte ».

Alimentation à découpage : basique

La tension de sortie est soit égale à l’alimentation +Vcc, soit égale à 0.

Quand vous étiez petit, on vous disait de ne pas éteindre et allumer tout le temps la lumière. C’est pourtant ce qu’une alimentation à découpage fait environ 100 000 fois par seconde !

Etant donné qu’une alimentation doit donner une tension continue, un filtre doit être ajouté. Ce filtre utilise des éléments non dissipatifs : inductance et condensateur.

Filtre à inductance

L’inductance lisse le courant, ce qui lisse le courant dans la résistance et donc la tension à ses bornes.

Alimentation à découpage : filtre L

Quand le commutateur est sur Vcc, le courant augmente dans l’inductance et l’énergie emmagasinée dans l’inductance augmente. Quand le commutateur est sur GND, l’inductance se comporte comme une source de courant et maintient ainsi le courant dans la résistance. Pendant cette période, le courant décroît. La constante de temps (=L/R) doit être supérieure à la période de découpage pour avoir un courant presque constant.

Filtre à inductance + condensateur

Ajouter un condensateur en parallèle avec la résistance (charge) permet de réduire l’ondulation de tension en sortie et constitue aussi une réserve d’énergie.

Alimentation à découpage : filtre LC

Cette structure est le montage classique « buck » abaisseur de tension.

Commutateur de l’alimentation à découpage

Le commutateur ne peut pas être un interrupteur simple parce qu’il faut garantir le continuité du courant dans l’inductance. Un simple transistor ne convient donc pas. Il faut lui ajouter une diode qui joue le rôle de diode de roue libre. Cette diode offre en effet un passage pour le courant de l’inductance.

Le transistor est commuté très rapidement (de l’ordre de 100kHz) à une fréquence bien supérieure à la fréquence de coupure du filtre LC.

Pour contrôler la tension de sortie, le pourcentage du temps où le transistor est conducteur (état « On ») est commandé par la partie régulation. Ce pourcentage s’appelle le rapport cyclique, noté α (alpha).

Rapport cyclique = Durée « On » / Période

α = Ton / T

La commutation de la diode se fait toujours naturellement, par continuité du courant dans l’inductance. Seul le transistor doit être contrôlé.

On obtient :

Tension de sortie = Rapport cyclique x Tension d’entréeVs = α.Ve

Avantages de l’alimentation à découpage

– rendement élevé (100% théorique, 70 à 90% typiques- dissipation de chaleur réduite- composants de petite taille (transfo, condensateurs)- coût réduit (moins de matière première)- nombreux contrôleurs et régulateurs intégrés pour découpage- plages d’alimentations étendues (85 à 264V, 110 à 400V par exemple)