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.

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.

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.

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.

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).

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.

Hacheur série sans diode de roue libre

Hacheur série avec diode de roue libre

Fonctionnement du hacheur série

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

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).

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.