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.

Le hacheur serie principe de fonctionnement 0

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.

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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 manœuvrer 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 . Elle se calcule en faisant la moyenne pondérée suivante :

= (αT.Ve +(1-α)T.0)/T

En simplifiant, on arrive au résultat à retenir :

= α.Ve

Exemples :

Si α = 1, Vs est tout le temps égale à Ve. On a donc = Ve.

Si α = 0, Vs est tout le temps égale à 0. On a donc = 0.

Si α = 0,5, Vs est la moitié du temps égale à 0, et l'autre moitié égale à Ve. On a = 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).

Le hacheur serie principe de fonctionnement 4

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 :

Le hacheur serie principe de fonctionnement 7

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).

Le hacheur serie principe de fonctionnement 8

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 (composante continue) mais lisse les variations.

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

= 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.

Jacklabd
samedi 9 février 2013 11:43

j'ai trouvé l'explication intéressante merci

Nina67
mardi 5 mars 2013 09:42

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

Merci
mercredi 23 janvier 2013 09:42

jaime

Sinasquax
lundi 4 mars 2013 19:50

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

Abdonnour
mardi 16 avril 2013 01:50

merci pour cette explication

Bb
mercredi 15 mai 2013 07:45

juste une confirmation.lexplication est bien clair

T K E
jeudi 8 août 2013 18:26

merci pour l'explication

Je cherche une application pratique pour hacheur série
vendredi 4 octobre 2013 06:45

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

nina67 Nina67
lundi 7 octobre 2013 11:34

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
jeudi 2 janvier 2014 13:58

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

Mosesgoble
vendredi 15 août 2014 21:34

comment calibre t on la diode roue libre. cordialement

nina67 Nina67
samedi 16 août 2014 06:13

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
lundi 10 novembre 2014 14:23

vraiment bien ce site , expliquation concis et clair

Salah chouchen
mardi 27 janvier 2015 22:38

comment faire une modélisatio d'un panneau solaire avec matlab

KHEMIRI
dimanche 1 février 2015 18:45

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
mercredi 11 février 2015 14:28

merci pour l explication plus facile

Jeyv83
vendredi 13 février 2015 09:35

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 Nina67
vendredi 13 février 2015 09:53

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
vendredi 13 février 2015 12:52

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
vendredi 13 février 2015 13:29

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 Nina67
vendredi 13 février 2015 16:09

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
mardi 22 septembre 2015 05:58

Je suis passionné de physique merci pour les explications. Charles

Electro4
samedi 24 octobre 2015 21:05

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 Nina67
lundi 26 octobre 2015 12:56

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
mercredi 18 novembre 2015 12:45

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

Anna.ahmd
dimanche 27 mars 2016 09:49

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

nina67 Nina67
mercredi 23 mars 2016 09:39

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
mardi 22 mars 2016 13:37

Merci

Anna.ahmd
mardi 22 mars 2016 13:42

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

Zinazina
mercredi 23 novembre 2016 12:51

je veux comprendre le rôle des hacheurs

Alinor
vendredi 16 décembre 2016 13:10

comment on peut controler le courant d'inductance?que lle est la méthode qui permet de faire ça?

nina67 Nina67
vendredi 16 décembre 2016 14:31

Bonjour alinor, le courant dans l'inductance peut se contrôler par sa lecture en mesurant la tension aux bornes d'une résistance série de faible valeur (0.1 Ohm par exemple). Cordialement

Ali900
mardi 4 avril 2017 17:00

Bonjour, simulation du hacheur boost sur PSIMhttps://www.youtube.com/watch?v=L8iSiiYBavA

jacquesmarchisio Jacquesmarchisio
mercredi 28 février 2018 14:14

Bjr,comment brancher un hacheur sur un moteur pas à pâs  ,+ vérin .

Hicham_mks
mardi 24 avril 2018 08:39

bonjour,merci de votre explicationje trouve souvent dans les documents parlé de Hacheur à quatre quadrant.(est ce que celà contient à la fois circuit commande et circuit puissance?)cordialement

nina67 Nina67
jeudi 26 avril 2018 07:24

Bonjour, le hacheur "quatre quadrant" fait référence à une structure en pont basée sur 4 interrupteurs (thyristor ou transistor) pour pouvoir inverser la polarité sur la charge (moteur). Ici, le hacheur série présenté ici est la structure la plus simple basée sur un seul interrupteur avec lissage du courant (inductance) et de la tension de sortie (condensateur). On ne voit ici que la partie puissance. C'est un schéma de principe, mais l'article en dessous ("hacheur série : schéma") présente un schéma complet pour un petit moteur. Cordialement

Bbbbbbbbbb
vendredi 13 septembre 2019 09:47

jaime

nina67 Nina67
mercredi 1 juillet 2020 10:23

bonjour, je n'arrive pas à consulter la photo. Il s'agit peut être d'une sécurité (fusible, polyswitch). Cordialement