La conception de base d'une alimentation moderne

La conception de base d'une alimentation moderne

Les stabilisateurs de tension linéaire avec IC sont à la base des projets d'approvisionnement depuis de nombreuses années maintenant le temps est venu de moderniser et de les remplacer par analogue à commutation beaucoup plus efficace et tout aussi facile à gérer.

Les régulateurs de tension linéaire sont généralement beaucoup plus efficace et plus facile à utiliser que les circuits équivalents des régulateurs de tension réalisé avec des composants discrets tels que une diode Zener et d'une résistance, ou même des transistors et des amplificateurs opérationnels.

Les types les plus populaires des régulateurs de tension à une sortie linéaire sont fixes et, de loin, la série de tensions de sortie positive et la série 78XX pour des tensions de sortie négatives 79XX Ces deux types de régulateurs de tension complémentaires produisent une tension de sortie précise et stable d'environ 5 volts jusqu'à environ 24 volts pour l'utilisation dans de nombreux circuits électroniques.

Une large gamme de ces régulateurs de tension réglable fixation à trois bornes, chacune avec sa propre régulation de tension et de limitation de courant des circuits intégrés. Cela nous permet de créer toute une série de différentes sorties de puissance, à la fois l'alimentation simple ou double, convient pour la plupart des circuits électroniques et des applications.

La majorité des alimentations en courant continu comprend un grand et lourd step-down transformateur secteur, la diode de redressement, onde ou pleine onde, un circuit de filtrage pour enlever tout le contenu de l'ondulation du courant continu redressé pour produire une tension en courant continu suffisamment régulière, et un circuit de stabilisation, pour assurer le réglage correct de la tension de sortie de l'alimentation dans des conditions variables de charge. Ainsi, une alimentation en courant continu typique ressemblerait à ceci:

alimentation typique DC

Ces alimentations typiques contiennent un grand transformateur secteur (qui fournit également une isolation entre l'entrée et la sortie) et une série de circuits de régulation dissipative. Le circuit régulateur peut être constitué par une seule diode Zener ou un régulateur de série linéaire à trois bornes pour produire la tension de sortie requise. L'avantage d'un régulateur linéaire est que le circuit d'alimentation ne nécessite qu'un seul condensateur d'entrée, un condensateur de sortie et des résistances de rétroaction pour régler la tension de sortie.

Les régulateurs de tension linéaire produisent une sortie régulée DC en utilisant un transistor à conduction continue en série entre l'entrée et la sortie, operandolo dans sa région linéaire.

donc, le transistor agit plus comme une résistance variable qui adapte en permanence à une valeur nécessaire pour maintenir la tension de sortie correcte.

Série transistor régulateur de circuit

Ici, ce simple circuit régulateur suiveur d'émetteur est constitué d'un seul transistor NPN, et une tension de polarisation en courant continu pour régler la tension de sortie requise. Depuis un circuit émetteur-suiveur a un gain en tension unitaire, appliquer une tension de polarisation propre à la base des transistors, vous obtenez une sortie stabilisée à partir de la borne d'émetteur.

Étant donné qu'un transistor fournit un gain de courant, le courant de charge de sortie sera beaucoup plus élevé que le courant de base, encore plus si vous utilisez une configuration Darlington.

La seule condition est que la tension d'entrée est suffisamment élevée pour obtenir la tension de sortie désirée, la tension de sortie est commandée par la tension de base du transistor.

Dans cet exemple, il vient 5,7 volts pour produire un signal de sortie 5 volts à la charge, 0.7V supplémentaires servent à compenser la chute de tension entre les bornes de la base et l'émetteur. Donc, sur la base de la valeur de la tension de base, il est possible d'obtenir toute valeur de la tension de sortie émetteur.

L'inconvénient de ceci est que le transistor du régulateur série est en permanence sollicité dans sa région linéaire, dissipe de la puissance sous forme de chaleur à la suite de son produit VXI, étant donné que tout le courant de charge doit passer à travers le transistor, entraînant ainsi une efficacité médiocre, la production d'électricité et de la chaleur perdue continue.

Aussi, l'un des inconvénients que les régulateurs de tension de la série ont est que leur courant nominal de sortie continue maximale est limitée à quelques ampères. Donc, ils sont généralement utilisés dans des applications où une faible puissance de sortie sont nécessaires.

Lorsque vous êtes invité plusieurs tensions de sortie ou des courants élevés, la pratique normale consiste à utiliser un régulateur de commutation communément connu sous le nom bloc d'alimentation de commutation pour convertir la tension du secteur à la puissance nécessaire dans les autres.

alimentations commutation, la SMPS, Ils deviennent monnaie courante et remplacé dans la plupart des cas, la puissance linéaire traditionnelle comme moyen de réduire la consommation d'énergie, réduire la dissipation de la chaleur, ainsi que la taille et le poids.

Alimentations à découpage sont maintenant disponibles dans la plupart des PC, amplificateurs de puissance, la télé, moteurs à courant continu, etc.. Quasiment tout ce qui nécessite une alimentation très efficace, car des alimentations à découpage deviennent une technologie mature.

par définition, un mode de commutation d'alimentation (SMPS) Il est un type de source d'alimentation qui utilise des techniques de commutation à semi-conducteur, plutôt que des méthodes linéaires standards pour fournir la tension de sortie requise. Le système de base se compose d'un étage de commutation de puissance et un circuit de commande. L'étage de commutation de puissance réalise les circuits de la tension d'entrée de la conversion de puissance, Vin à sa tension de sortie, Vout qui comprend le filtre de sortie.

Le bloc d'alimentation de commutation principal avantage est sa plus grande efficacité, par rapport aux régulateurs linéaires classiques, et ceci est obtenu en exploitant un transistor (ou MOSFET de puissance) y compris leur statut “SUR” (plein) et leur statut “DE” ( couper), états qui produisent une dissipation d'énergie plus faible.

Cela signifie que, lorsque le transistor de commutation est complètement “SUR”, la chute de tension sur elle est à sa valeur minimale et lorsque le transistor est entièrement “DE” il n'y a pas la dissipation de puissance. Ensuite, le transistor se comporte comme un commutateur idéal.

En conséquence, contrairement à des régulateurs linéaires qui ne fournissent que la régulation de tension abaisseur, une alimentation à découpage peut fournir abaisseur, step-up et la négation de la tension d'entrée en utilisant au moins une des trois topologies de circuits de commutation de base:mâle, Renforcer e Buck-Boost. Les trois types diffèrent par la manière dont le transistor, l'inductance et le condensateur de lissage sont reliés à l'intérieur du circuit de base.

chargeur Buck

la régulateur Buck Il est conçu pour réduire de manière efficace la tension continue à partir d'une tension supérieure à une partie inférieure sans changer la polarité. En d'autres termes, le régulateur à découpage abaisseur est un circuit régulateur abaisseur, ainsi par exemple un convertisseur abaisseur peut convertir +12 Il a été le +5 volt.

Le régulateur à découpage abaisseur est un convertisseur continu-continu et l'un des plus simple et le plus populaire. Le commutateur de régulateur abaisseur utilise un transistor en série ou un transistor MOSFET de puissance ou un IGBT en tant que dispositif de commutation principal, comme indiqué ci-dessous, classiquement dans les schémas suivants, je vais utiliser un MOSFET comme un élément de commutation seulement parce que dans la grande majorité utilise ceux mais, la parole est également vrai pour BJT ou IGBT.

Le régulateur à découpage abaisseur

Nous pouvons voir que la configuration de base du circuit pour un convertisseur abaisseur est un commutateur MOSFET en série,T1 avec un circuit de commande associé qui maintient la tension de sortie aussi proche que possible du niveau souhaité, une diode,Dl, un inducteur,L1E un condensateur de filtrage,C1. Le convertisseur abaisseur a deux modes de fonctionnement, selon que le transistor est en commutazioneT1 “SUR” ou “DE”.

Lorsque T1 est la “SUR” (interrupteur fermé), la diode D1 est polarisée en inverse et la tension d'entrée Vin provoque un courant à travers l'inductance de la charge connectée à la sortie, chargement dans le même temps le condensateur C1. Quand un courant variable à travers l'inducteur, Il produit une tension induite en face qui est opposée à la circulation du courant, selon la loi de Faraday, quand il atteint un état stable crée un champ magnétique autour de l'inducteur, L1. Cette situation continue indéfiniment jusqu'à ce que T1 est conductrice.

Lorsque le transistor se éteint et entre en “DE” (interrupteur ouvert) commandé par le circuit de commande, la tension d'entrée est interrompue instantanément provoquant l'effondrement du champ magnétique autour de la bobine d'inductance de l'inducteur induisant une tension inverse au principe de la conservation de l'énergie. Cette tension inverse provoque la polarisation directe de la diode, Par conséquent, l'énergie stockée dans l'intensité du champ magnétique du courant dans l'inductance de continuer à circuler à travers la charge dans la même direction.

Par conséquent, l'inductance L1 renvoie l'énergie accumulée à la charge en agissant comme une source d'alimentation et jusqu'à ce que toute l'énergie stockée est pas renvoyé dans le circuit ou jusqu'à ce que le commutateur (MOSFET) Il se ferme à nouveau. En même temps, la décharge du condensateur contribue à la charge. La combinaison de l'inductance et le condensateur forment un filtre LC qui atténue toute ondulation créée par l'action du transistor de commutation.

donc, lorsque le commutateur à semi-conducteurs est fermé, l'énergie est fournie à partir de l'alimentation et lorsque l'interrupteur est ouvert, l'énergie est fournie à partir de la bobine d'inductance. Notez que le courant circulant dans l'inducteur est toujours dans la même direction, soit directement, soit au travers de la diode, mais de toute évidence à différents moments dans le cycle de commutation.

Etant donné que le commutateur à transistor est fermé et ouvert en continu, la valeur moyenne de la tension de sortie sera alors dépendante du cycle de service D, qui est défini comme le temps de conduction du transistor de commutation pendant un cycle de commutation entier. S'il y a la tension d'alimentation et le calendrier “SUR” e “DE” pour le commutateur sont définis comme: Ton e Toff, par conséquent, la tension de sortie Vout est donnée à titre:

Le cycle de fonctionnement des convertisseurs abaisseurs peut également être défini comme:

d'ici si nous appliquons la formule précédente nous

Donc, plus le cycle de service D, plus la tension de sortie de l'alimentation en mode de commutation. De cela, nous pouvons également voir que la tension de sortie sera toujours inférieure à la tension d'entrée, car le cycle de travail, D ne peut jamais parvenir à l'unité. La régulation de tension est obtenue en faisant varier le cycle de service et de haute vitesse de commutation, fino a 200kHz, il est possible d'utiliser des composants plus petits qui réduit considérablement la taille et le poids en mode interrupteur d'alimentation, récemment, cette limite a été largement dépassés atteignant Mhz pour le montage SMD dans lequel la bobine doit avoir une taille similaire aux autres composants.

Avec des composants idéaux, ou bien si les pertes de commutation dans l'état “SUR” étaient nuls, le convertisseur abaisseur idéal peut avoir des économies jusqu'à 100%.

En plus du contrôleur buck-abaisseur pour la conception de base d'une alimentation à découpage, Il y a une autre configuration, à savoir step-up la Renforcer Convertisseur.

Power Boost

la Poussée régulateur à découpage est un autre type de circuit d'alimentation en mode de commutation. Il a les mêmes composants que le convertisseur abaisseur précédent, mais cette fois dans des positions différentes. Le convertisseur élévateur est conçu pour augmenter la tension continue à partir d'un bas à une tension plus élevée, ou augmente la tension d'alimentation, en augmentant ainsi la tension disponible aux bornes de sortie sans modifier la polarité. En d'autres termes, le régulateur de commutation d'amplification est un circuit de régulateur élévateur de tension, ainsi, par exemple un convertisseur élévateur peut convertir la tension à +5 Il a été le +12 volt.

Nous avons vu précédemment que le régulateur à découpage abaisseur utilisant un transistor de commutation en série dans sa conception de base. La différence avec la conception de régulateur de suralimentation Il est qu'il utilise un transistor de commutation connecté en parallèle pour commander la tension de sortie du dispositif d'alimentation en feuille en mode de commutation. Etant donné que le commutateur est efficacement relié en parallèle à la sortie, l'énergie passe à travers la bobine d'induction à la charge uniquement lorsque le transistor est en “DE” (interrupteur ouvert) comme le montre.

le régulateur commutation renforcer

Dans le circuit Convertisseur boost , lorsque l'interrupteur est sur « ON », l'alimentation en énergie, Vin passe à travers la bobine d'inductance et le transistor et l'alimentation en arrière. Par conséquent, rien ne passe la sortie parce que le commutateur à transistor crée un court-circuit à la sortie. Cela augmente le courant circulant à travers la bobine d'inductance comme il a un trajet plus court pour revenir au pouvoir. En attendant, la diode D1 inversement polarisée parce que son anode est reliée à la masse par l'intermédiaire du commutateur tandis que la cathode est au niveau de tension à la sortie tandis que le condensateur commence à se décharger à travers la charge.

Lorsque le transistor est bloqué, la puissance d'entrée est maintenant connecté à la sortie à travers l'inductance et la diode connectés en série. Lorsque le champ de l'inducteur diminue, l'énergie stockée dans l'inductance est induite sortie de poussée de Vin, à travers la diode polarisée en direct. Le résultat de tout cela est que la tension inverse induite par l'inducteur L1 est ajoutée à la tension d'alimentation en augmentant la tension de sortie totale qui devient Vout = Vin + VL.

Le courant provenant du condensateur de lissage, C1 qui a été utilisé pour alimenter la charge lorsque le commutateur a été fermé, est maintenant disponible pour l'entrée à partir du condenseur à travers la diode. Ainsi, le courant fourni au condensateur est le courant de diode, qui sera toujours ON ou OFF depuis la diode est continuellement commuté entre l'état direct et la valeur inverse par les actions de commutation de transistor. Ensuite, le condensateur de lissage doit être suffisamment grande pour produire une sortie de régler et de filtrer ces pics.

Etant donné que la tension induite aux bornes de l'inductance L1 est négatif, il est ajouté à la tension de source, Vin, forçant le courant de l'inductance de la charge. La tension de sortie des convertisseurs d'amplification est donnée par:

Comme avec le convertisseur abaisseur précédent, la tension de sortie du convertisseur élévateur de tension dépend de la tension d'entrée et le cycle de service. donc, le contrôle du cycle de travail, Vous obtenu par la régulation de sortie. Aussi, cette équation ne dépend pas de la valeur d'inductance, ment à partir du courant de charge ou le condensateur de sortie.

Nous avons vu plus haut que le fonctionnement de base d'un circuit d'alimentation à découpage peut utiliser une configuration abaisseur non isolé, ou d'une configuration d'amplification selon que vous avez besoin d'une tension de sortie abaisseur (mâle) o step-up (renforcer).

Mais nous pouvons également combiner ces deux topologies de commutation de base en un seul circuit de régulation de commutation ne isolanto appelé, (coïncidence), avec une immense étendue de l'imagination, Convertisseur Buck-Boost.

alimentation buck-boost

la Régulateur à découpage Buck-Boost Il est une combinaison du convertisseur abaisseur et le convertisseur élévateur de tension qui produit une tension de sortie inversée (négatif) qui peut être supérieure ou inférieure à la tension d'entrée en fonction du cycle de travail. Le convertisseur abaisseur-élévateur est une variante du circuit convertisseur survolteur dans lequel le convertisseur de l'onduleur ne délivre que de ne charger que l'énergie stockée par l'inductance L1.

Ci-dessous le circuit d'alimentation en mode abaisseur-élévateur.

le régulateur buck commutation renforcer

Lorsque le commutateur T1 est activé (fermé), la tension aux bornes de l'inductance est égale à la tension d'alimentation de sorte que l'accumulateur d'inductance apport d'énergie à partir de. Aucun courant est fourni à la charge reliée à sa sortie, car la diode, D1 est polarisée en inverse. Lorsque le transistor est bloqué (ouvert), la diode devient polarisée en direct et l'énergie préalablement stockée dans l'inductance est transféré à la charge.

En d'autres termes, lorsque le commutateur est activé “SUR”, l'énergie dans l'inducteur est délivré de l'alimentation et rien est sortie.

Lorsque l'interrupteur est “DE”, la tension d'inducteur est inversée et l'inducteur lui-même devient une source d'énergie, puis l'énergie stockée précédemment dans l'inductance est sortie commutée (à travers la diode), rien ne vient directement de la source d'entrée. Par conséquent, la tension fournie à la charge lorsque le transistor de commutation est “DE” Elle est égale à la tension induite de l'inducteur.

Le résultat est que l'amplitude de la tension de sortie inversée peut être supérieure ou inférieure ou égale à la tension d'entrée selon le cycle de travail. par exemple, un convertisseur abaisseur-élévateur peut convertir 5 Il a été le 12 volt (step-up) donne 12 Il a été le 5 volt (step-down).

Dans les régulateurs de commutation buck-boost le Vout est donnée à titre:

Ainsi, le régulateur buck-boost a ce nom parce que la tension de sortie qui peut être plus élevé (comme l'un des étages de puissance de suralimentation) ou moins (un étage de puissance abaisseur) de la tension d'entrée. Toutefois, la tension de sortie présente une polarité opposée à la tension d'entrée.

Mode de commutation Riepilogo

Le bloc d'alimentation de commutation moderne, o SMPS, Il utilise des commutateurs à l'état solide pour convertir une tension d'entrée DC non régulées en une tension de sortie régulée DC à différents niveaux de tension. L'alimentation de tension continue peut être une véritable entrée à partir d'une batterie ou d'un panneau solaire, ou une tension continue redressée à partir d'une alimentation en courant alternatif au moyen d'un pont de diodes avec certains filtres capacitifs supplémentaires.

Le principal avantage est que l'efficacité énergétique du contrôleur peut être très élevé car le transistor est entièrement sous tension et le conducteur (plein) ou complètement (interruption).

Il existe différents types de convertisseurs à courant continu à courant continu disponible, Le plus couramment utilisé trois topologies de commutation d'alimentation électrique sont connus en tant que mâle, Renforcer e Buck-Boost. Tous les trois de ces topologies ne sont pas isolés, à savoir les tensions d'entrée et de sortie partagent une ligne de masse commune.

Le réglage de la tension de sortie est obtenue en contrôlant le pourcentage de temps pendant lequel le transistor de commutation est à l'état “SUR” sur le total à temps / DE. Ce rapport est appelé rapport cyclique et en faisant varier le cycle de service, D peut être commandé par l'amplitude de la tension de sortie Vout.

L'utilisation d'une seule bobine d'inductance et de la diode et les commutateurs à semi-conducteurs à commutation rapide capable de fonctionner à des fréquences de commutation de l'ordre de kilohertz peut réduire considérablement la taille et le poids d'alimentation. Toutefois, si cela est nécessaire à l'isolement entre les bornes d'entrée et de sortie, il est nécessaire d'inclure un premier transformateur de convertisseur.

Le convertisseur abaisseur de tension est conçu pour convertir une énergie électrique à partir d'une tension de démarrage inférieure à une. Le convertisseur abaisseur fonctionne avec un transistor de commutation connecté en série. Depuis le cycle de service, ré <1 , la tension de sortie abaisseur de tension est toujours inférieure à la tension d'entrée.

Le convertisseur élévateur est conçu pour convertir une énergie électrique à partir d'une tension de démarrage à un niveau supérieur. Le convertisseur élévateur fonctionne avec un transistor de commutation connecté en parallèle qui détermine un trajet de courant direct entre Vin et Vout à travers l'inductance L1 et la diode D1. Cela signifie qu'il n'y a pas de protection contre les courts-circuits de sortie.

En faisant varier le cycle de service, (ré) un convertisseur élévateur, la tension de sortie peut être contrôlée et avec D <1, la sortie de courant continu du convertisseur de suralimentation est supérieure à la tension d'entrée Vin à la suite de la tension d'auto-induction des inducteurs .

Aussi, il est supposé que les condensateurs de lissage de sortie dans les alimentations à commutation Ils sont assez vieux, manière à ne pas être déchargé dans les périodes d'absence d'énergie fournie par la source avec la commutation, qui se traduit par une tension de sortie constante.

Avec cela, je termine cette discussion sur les types de commutation alimentations avec l'espoir de pouvoir persuader les gens à venir à ce type dans la conception de leurs œuvres que ce soit passe-temps ou semi-professionnel. Fondamentalement, une fois que nous comprenons comment nous pouvons cesser de les regarder avec suspicion et de les exploiter pleinement à nos besoins.

Amilcare Salutations