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Alimentation à découpage MLI, numérique

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1/5 : Pourquoi la modulation de largeur d'impulsion, le découpage ?

Rendement d'une régulation linéaire





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Rendement d'une alimentation à régulation MLIModulation de Largeur d'Impulsion / RCYRapport CYclique variable





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Rendements tels que vus en vidéos

comparatif rendement découpage et linéaire série
En vert, le rendement d'une alimentation à découpage MLI (RCY) :
Non seulement il est toujours supérieurIl est nul à vide, (quand Is =0), à cause de la consommation propre de l'électronique (de l'ordre de 1 W et < à 1% de la puissance nominale) au rendement rouge du linéaire, mais ce dernier est incapable, au niveau de sa sortie Us de rejoindre UeUn régulateur linéaire à besoin d'un minimum de tension entre Ue et Us pour fonctionner ≃ 0.5 V pour les plus onéreux et rares composants LDO (Low Drop Out) : faible chute de tension, et jusqu'à 2 V et plus pour les plus anciens......
Voire de dépasser UeNous verrons que selon le filtre de sortie Us > Ue voire opposé : négatif ! !

Schéma de l'alimentation vue en vidéo

Variateur à découpage
La charge, notre moteur, est alimentée via la bobine qui quantifie l'intensité en fonction du temps de conduction du MOSFET. La diode maintient la décharge inductive de la bobine qui se comporte alors comme un auto-transformateur dont le rapport des enroulements est devenu le rapport cyclique variable.




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Pourquoi le rendement linéaire ...


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2/5 : Le rapport cyclique variable MLI PWM

Découpage versus série linéaireAvec transistor de puissance fonctionnant en résistance variable : pertes Joule à la clé : voir en fin le cours régulation linéaire

Avantages du linéaire

  • Le pionner, le plus simple !
  • Intuitif pour débuter en électronique
  • Parasites faciles à maîtriser (masses en étoile)

Inconvénients du linéaire

  • Rendement lié au rapport Us / Ue
  • Dissipation thermique imposante
  • Masse directement liée à la puissance
  • Encombrement

Avantages du découpage

  • Rendement non lié au signal, 70% minimum
  • Masse très réduite
  • Peu de dissipation thermique
  • Compacité

Inconvénients du découpage

  • Electronique plus complexe pour débutants
  • Dépannage plus difficile pour néophyte
  • Maîtrise des parasites requérant une sensibilisation
    Voir les cours CEM de Tecnipass !




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MLI, le principe, le fonctionnement





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Alimentation MLI : les principes

Le linéaire c'est un peu le robinet pour un débit :
On règle l'intensité et par conséquence la tension (ou l'inverse puisque dans tous les cas les 2 sont liés par R = U / I) comme un robinet de manière progressive et donc linéaire avec un grand inconvénient : le robinet électronique supporte toute la différence entre la source et l'utilisation... Et il chauffe !

En MLI on agît différemment : il n'y a que 2 états : tout ou rien, 0 ou 1 : ouvert ou fermé mais à très grande vitesse ce qui n'engendre que peu de pertesPrincipalement lors des transitions qui doivent être les plus rapides possible : choix des composants. Ainsi que des pertes en conduction (fermé), voir en fin de cours le Conseil+ : Pertes commutation et conduction !

Conseil+ : pertes commutation et conduction
Et, pour reproduire les valeurs intermédiaires, on joue sur le ratio entre temps fermé et temps total (rapport cyclique à période constante). C'est le principe de la MLI, qui malgré seulement 2 états (0 ou 1) permet une infinité de valeurs suivant la précision de ses constituants.

Imaginez que vous filmiez une pièce obscure pendant 24 heures :
Chaque minute, vous éclairez pendant 30 secondes puis éteignez la pièce les 30 secondes restantes...
En passant le film à grande vitesse, notre oeil fera la moyenne, comme on vient de la voir en vidéo...

Pour info, la fréquence actuelle des alimentations à découpage est d'≃ 50 kHzEn dessous de 20 kHz, le découpage serait audible ! pour les plus puissantes, à 1 MHz !
Conseil+ : choix de la fréquence de découpage.




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Rapport cyclique variable


50%

En vert la rampe de référence, en noir la consigneSi l'objectif est de convertir un signal continu en MLI, en envoie une consigne comparée à la rampe ou la tension moyenneLorsque le signal bleu MLI est filtré, sa valeur moyenne est continue lisse tel qu'en pointillés noirs !, en bleu le signal modulé en largeur d'impulsion : MLI.
Faites varier le curseur de 0 à 100% !




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Etude des signaux MLI sur maquette pédagogique avec rampe


Notre pieuvreParce que ses multiples douilles banane de raccordement font songer à des tentacules :-) pédagogique, rapport cyclique variable et modulation de largeur d'impulsion MLI !




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Evolution de Us en fonction du rapport cyclique

1
2
3
4
évolution de Us en fonction du rcy
On constate clairement l'évolution linéaire du ratio Us / Ue en fonction du ratio temps fermé / temps total ou rapport cyclique en %
conversion analogique MLI rcy
Un AOP compare la rampe à la consigne continue. Dès que la consigne dépasse la rampe, la sortie bascule générant le front montant maintenu positif jusqu'à la fin du cycle de la rampe (aussi possible avec un triangle)
ratio graphique rcy us
Une autre représentation avec les surfaces identiques entre le temps de conduction et la tension moyenne obtenue en sortie.
Les surfaces sont identiques à condition d'offrir la même largeur pour 0 à 100% en abscisses, que hauteur pour 0 à Ue au niveau des ordonnées
Découpage tension moyenne
Le rapport tf (temps fermé) sur t (période complète) est directement responsable du rapport Us / Ue ⇒ U moyen




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Cochez en vert les exactitudes......


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3/5 : Quelques exemples de filtres en sortie

Vidéo sur l'alimentation à découpage filtre abaisseur :





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Alimentation abaisseur (buck)

Filtre découpage abaisseur buck

Etape par étape :

  1. T conduit, L limite I engendrant le signal vert Us
  2. T s'ouvre et la bobine, via la diode, se décharge dans R

Le schéma réel doit tenir compte que c'est la diode qui protège aussi le transistor T des surtensions engendrées par la bobine (ceci est valable pour tous les montages) :
Bon câblage d'une diode : alim à découpage




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Alimentation à découpage élévateur et inverseur





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Élévateur (boost)

Filtre à découpage élévateur boost

L'étape 1 n'est présente qu'au démarrage :



Us est alors nul, T conduit et charge l'inductance.
(l'intensité la traversant augmente au fur et à mesure que le champ magnétique augmente)
Attention le temps de conduction de T doit être suffisamment court pour ne pas approcher la saturation magnétique de l'inductance sous peine de court-circuit. Le rapport cyclique ne doit pas non plus dépasser ≃ 50%, nous allons voir pourquoi !


Fonctionnement, étapes 2 et 3 :

  1. T s'ouvre permettant à L de libérer sa tension inverse qui va s'ajoute à Ue provenant du générateur : Us > Ue
  2. Le condensateur cherche à maintenir Us dans la résistance tandis que la diode évite le retour de Us au transistor T désormais en cct sur la masse !




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Inverseur (élévateur ou non)

Découpage inverseur élévateur de tension

Là encore, l'étape 1 juste au démarrage :



Us est alors nul, T conduit et charge l'inductance.
(l'intensité la traversant augmente au fur et à mesure que le champ magnétique augmente et que la fem de l'inductance diminue)
Attention ! Là aussi le temps de conduction de T doit être suffisamment court et ne pas dépasser ≃ 50% pour ne pas approcher la saturation magnétique de l'inductance sous peine de court-circuit !


Fonctionnement, étapes 2 et 3 :

  1. T s'ouvre permettant à L de libérer sa tension inverse, qui, grâce à la diode vient alimenter R et charger C en tension inverse ! Us inverse, suivant le rapport cyclique, est inférieur, égal ou supérieur à Ue
  2. Le condensateur maintient U dans la résistance tandis que la diode interdit tout retour !




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Conduction directe

Ici, le transformateur (miniature, on est à 50 kHz minimum), offre plusieurs avantages au niveau des sorties :
  1. Plusieurs sorties possibles, comme tout transformateur
  2. Sorties pouvant être inférieures, inversées ou supérieures à Ue
  3. Isolation galvanique complète des circuits
Attention, le signal de sortie sera alternatif, redresseur et filtre de lissage requis pour obtenir une tension continue !
Les 2 transistors N conduisent simultanémentLeur gate est pilotée par des optocoupleurs car elles ne sont pas au même potentiel (pointillés). Passants, les transistors alimentent la bobine primaire : + en haut, – en bas.
A l'ouverture, la bobine crée sa surtension inverse que les diodes contiennent, avec l'aide du condensateur, à Ue (aux seuils diode près), donc la même valeur mais en inverse !
On pilote ici en mono-alternance, l'alternance négative est automatiquement générée par la bobine avec l'effet d'auto-inductionE = – Δ Φ / Δ t = L × Δ I / Δ t !
Onduleur conduction directe
Attention au positionnement des diodesCâblage correct de diode de protection surtensions
C'est la diode qui protège le transistor des surtensions dues à la bobine. Ainsi, le transistor ne doit absolument pas faire fil commun avec elle. Seul le schéma vert assure cela. Les 'pattes' du composant doivent être réduites au minimum à cause, comme tout fil, de leur inductance propre...
! Moins utilisé : le Push-PullOnduleur push-pull
Les transistors conduisent alternativement avec un temps mort entre les 2. Là aussi, isolement galvanique par transformateur.
.




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Cochez en vert la réponse exactes !...


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4/5 : Conversions analogique vers numérique CAN et CNA (ADC, DAC)

CNAConversion Numérique vers Analogique, Digital to Analog Converter ADC en anglais méthode des poids

Balance avec poids décimal, binaire CNA Num vers Ana méthode des poids
Ici, les sorties numériques pilotent directement une résistance de valeur liée à son poids aXIci on utilise 8 bits : 2^8 = 256 valeurs. a0, le bit le plus faible (le moins significatif), est relié à la plus grande résistance : 128 R (2^7, la moitié de 256 2^8) tandis que a7 est relié à  R : 1R
Ainsi, le poids des sorties est l'inverse de la valeur des résistances (quand R↗, I↘).
.
La tension en sortie est choisie en fonction de R et de Rx en contre-réaction.
Il est impératif d'utiliser des résistances de haute précision 0.1% jusqu'à 10 bits
(2^10 = 1024 valeurs 1/1024 ≃ 0.1 pour 100) 0.01% et mieux jusqu'à 14 bits (2^14 = 16 384)




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CNAConversion Numérique vers Analogique, Digital to Analog Converter ADC en anglais réseau R 2R

1
2

Une valeur de résistance R de grande précisionLà aussi 0.1% jusqu'à 10 bits : (2^10 = 1024 valeurs 1/1024 ≃ 0.1 pour 100) 0.01% et mieux jusqu'à 14 bits (2^14 = 16 384) est associée à son double 2R (2 × R) tel que représenté sur les schémas pour offrir toutes les valeurs possibles selon les combinaisons binaires (16 pour 4 bits : 2^4). Voir le conseil+ Résolution...


CNA DAC par réseau R 2 R Réseau R 2R interne
Un judicieux réseau de résistances de valeur R et 2 × R câblé tel que sur cle schéma ci-dessus offre en fonction de la sortie activea0 étant le poids le plus faible, le moins significatif, c'est lui qui est le plus près de la masse : le 0 V alors qu'à l'opposé a3 est au plus près de la sortie.
Le 1 étant fourni par U d'alimentation du circuit intégré ou DSP, Digital Signal Processeur.
. C'est ce procédé qui automatiquement convertit une valeur binaire en tension continue.
On peut ici voir évoluer une sortie qui est soit à 0 (mass 0V), soit à 1 (+U alimentation)
Conversion 4 bits 16 valeurs
En abscisses, les valeurs binaires (ici on compte 4 bits) ; en ordonnées, le poids décimal2^4 bits = 16 valeurs : de 0 à 15 (ne pas oublier le 0!).
Prenons un exemple simple : le circuit est alimenté en 15 Volts, sa résolutionAvec 16 valeurs pour aller de 0 à 15 Volts : on obtient des escaliers dont les marches sont espacées de 1 Volts : c'est la résolution
Sur une règle de 30 cm graduée en millimètres, on a 300 valeurs, sa résolution est de 1 mm
Conversion 2 bits 4 valeurs
Ci-dessus avec 2 bits, 4 valeurs : 5 Volts de résolution !
sera de 1 Volt !

La méthode de calcul de la résolution est :

U maximal / (2^X bits -1 (pour le 0))
Ex : 10 Volts / (2^8 - 1) = 10 / 255 ≃ 0.0392 V ou ≃ 39.2 mV




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CANConversion Analogique Numérique, Analog to Digital Converter ADC en anglais méthode de la rampe

1
2
CAN ADC conversion numérique analogique par rampe
a3 a2 a1 a0
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1

étape 1 :


Un oscillateur génère un comptage binaire, sur ici 4 bitsUn CD audio est codé sur 14/16 bits, un DVD 24 bits, un multimètre 14 bits...
4 bits comme ici = 16 combinaisons ou valeurs 2^4
Conversion 4 bits 16 valeurs
avec 14 bits on obtient : 16 384 ce qui est suffisant pour un 2000 points. Avec 24 bits : 16,77 millions (décodage couleurs RVB sur écran)
, et grâce à son ingénieux réseau de résistances [R ; 2R]R = (ex : 10 kΩ) ; 2R = 2 × R (20 kΩ). On utilise que des résistances de très très haute précision : avec 14 bits (≃16 000 valeurs) il faut une précision meilleure que 0.01% (1 / 16 000) ! il offre une évolution linéaire entre 0 et la tension U d'alimentation.
CAN ADC conversion analogique numérique par rampe

étape 2 :


Un comparateur reçoit la tension à convertir ici à gauche en bleu et la rampe ainsi générée.
Dès que la rampe devient supérieure à la mesure, il rafraîchit une mémoire qui va afficher la nouvelle valeur (ou ne rien changer si elle n'a pas évolué).
Pour info, sur un multimètre ce temps de comparaison est ≃ 0.3 s, (un multimètre réalise 2 à 5 mesures par seconde), il passe à 44 100Selon la fréquence d'échantillonage, mais d'autres techniques de conversion plus rapides existent !
SAR pour Successive Approximation Register, Flash...
fois sur un CD...




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CANConversion Analogique Numérique, Analog to Digital Converter ADC en anglais méthode MLI PWM

conversion analogique MLI rcy
La modulation de largeur d'impulsion est une méthode de conversion analogique vers numérique !
On ne va pas ici coder sur X bits telle ou telle grandeur, mais générer un signal dont la largeur est proportionnelleévolution de Us en fonction du rcy à la grandeur analogique.

Ainsi, les alimentations à découpage, les variateurs mais aussi les amplificateurs audio classe DQui à puissance égale offrent un rendement quasiment 2 × supérieur et donc un volume et masse 4 à 10 fois inférieures car les pertes, elles, sont divisées par 4 à 10 ! utilisent la MLI ou PWMModulation de largeur d'impulsion ou Pulse Width Modulation.
C'est le seule technique de conversion adaptée à la puissance puisqu'elle découpe (en Tout Ou Rien, passant ; ouvert) une tension fixe pour la diminuer. Enfin, la précision est directement liée à la linéarité de la rampe et des composants. La résolution n'est pas limitée par la conversion qui n'est ici pas binaire !

NB : pour effectuer la CNAconversion MLI tension continue moyenne filtrée
Tout simplement à partir d'un signal MLI qu'il conviendra de filtrer pour obtenir la tension moyenne en jaune.
, il suffit de filtrer le signal numérique ! C'est la plus réversible des méthodes avec peu de pertesIci pas de résistances... !

Comme vu précédemment la conversion consiste en un temps de conduction, d'ouverture du robinet, là où les autres techniques (poids, R, 2R) consistent à multiplier le nombre de robinets, chacun ayant un poids (débit) double du précédent via des résistances...




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Quelle est le nombre de valeurs disponibles ? ...


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5/5 : Le multiplexage

A quoi ça sert ?

Le multiplexage permet de faire transiter plusieurs informations sur un seul fil (électrique) ou fibre (optique) pour économiser du câblage et multiplier les informations.
Les bus de terrain, les réseaux informatiques, les câbles SATASerial Advanced Technology Attachment, bref traduisons par technologie avancée de transfert de donnée Série ! Disques durs informatiques qui ont remplacé les PATALa même pour ATA, mais P pour Parallèle ; exemple : 1 fil par bit de donnée et 1 par bit d'adresse, d'où les larges nappes multifils !
Nappe IDE PATA 66 à 133
...
Le multiplexage est partout même dans les autos depuis les années 1990/2000, suivant les constructeurs, (avec quelques aléas de fonctionnement chez certains au début...).

Multiplexage temporel, plus aisé à comprendre :


Principe du multiplexage temporel
L'opération inverse, la redistribution de l'information (au bon récepteur !) s'appelle le démultiplexage.

Le multiplexage s'effectue à l'aide de multiplexeurs (1 vers 4, vers 8, 16...), le démultiplexage avec des démultiplexeurs.




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Fonctionnement du multiplexage temporel :

Des commutateurs à grande vitesse fonctionnement avec une même cadence d'horloge (sans quoi tout va se mélanger !) de manière à multiplexer et démultiplexerL'opération inverse pour distribuer les données au bon récepteur !
Notons que la plupart des systèmes sont bidirectionnels sur un autre fil mais aussi quelquefois sur le même !
le signal série :
Principe technique du multiplexage, démultiplexage
Un inconvénient de cette technique réside dans le fait que les entrées sont systématiquement testées, ce qui prend du temps, même si elle n'ont rien à direLeur état ou valeur initiale n'a pas changé... Une évolution consiste à ne communiquer que lorsque l'on a une information nouvelle à transmettre en commençant son message par son 'petit nom' (adresse) :
multiplexage statistique très simplifié




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Autres méthodes

Il existe le multiplexage en fréquence avec ce moyen pour transmettre 3 bits (8 valeurs) dans notre exemple :
Multiplexage par déphasage
Suivant le déphasage entre 2 signaux (ici en orange et bleu), la valeur binaire évoluera. Pour 4 valeurs (2 bits), il suffit de mesurer avec 90° de précision, contre 45° comme ici pour 3 bits...

A savoir : ils sont souvent nommés 'mux' et 'demux' pour alléger leurs dénominations assez longues...




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Utilité du multiplexage...


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Jonction de bipolaire

Transistor bipolaire NPN jonction
Le transistor bipolaire utilise un équivalent à 2 diodes tête-bêcheReprésentation diodes dans NPN avec la base b en point de liaison des 2 cathodesAnodes pour un NPN, cathodes pour un PNP
Représentation didoes dans un PNP
. Représentée ici en NPN, (le principe vaut pour un PNP) sans alimentation sur la base, la jonction d'un transistor bipolaire bloque la circulation du courant dans les 2 sens.
Transistor bipolaire NPN conduction jonction
Le fait d'appliquer entre la base b et l'émetteur e une tension supérieure au seuil de la diode engendre une intensité dans la base qui annihile le blocage dû à cette zone de transition et permet une conduction entre c et e d'une intensité allant jusqu'à β × I base
Jonction de transistor NPN
Photo de la jonction d'un NPN 2N2222.

La résolution

L'analogique permet une infinité d'états :

Exemple vous mélangez des peintures bleues et jaunes, le nombres de nuances de verts que vous obtiendrez est infinie !

Mais il vous sera très difficile de reproduire 2 fois la même nuance !

A moins de doser... Et là on parlera de résolution :
Votre doseur contient 1 cl, vos pots 9 cl, vous avez donc 10Et oui !
0 cl, 1 cl ,2 cl, 3 cl, 4 cl, 5 cl, 6 cl, 7 cl, 8 cl et 9 cl !
Le 0 compte tout comme le maximum !
possibilités pour la quantité de chaque couleur !
Ainsi 10 × 10 = 100 possibilités et pas une seule de plus !
Avec un troisième pot d'une autre couleur nous aurions 10 × 10 × 10 = 1000 possibilités ! Le calcul est :
On obtient donc :
Nombre de pots ^ (exposant) Nombre de valeursIci on a 10 valeurs : 0 à 9 cl par pas de 1 ! possibles


Le numérique n'offre que 2 états 0 ou 1
Pour augmenter les possibilités il faut utiliser plusieurs fils binairesBinaire : 2 états possibles : 0 ou 1 : courant présent ou pas (ex : 0 ou 5 Volts) :
1 bit = 2 possibilités 2^1
4 bits = 16 possibilités (2^4 = 16)
8 bits = 256 (2^8)...

Un écran code généralement en 24 bits, 8 par couleur primaire (Rouge Vert Bleu : 8 × 3), soit 256 nuances par couleur 256 × 256 × 256 = 2^24 = 16.77... millions de nuances.

Pertes en commutation et conduction

  • Parfaite (théorique) en vert : transition nulle !
  • Tension aux bornes du contact en bleu
  • Intensité traversant le contact en violet
  • Pertes par conductionAucun contact n'est parfait : une résistance subsiste mais elle doit être négligeable
    Pour un transistor de commutation c'est soit sa résistance RdsON (mosfet), soit sa tension CE
    en marron en bas
  • Pertes par commutationLa pointe est ≃ égale à la puissance du circuit fermé divisée par 4 car les courbes de tension et d'intensité se croisent à leur demie valeur.
    Comme on ne peut diminuer cette pointe, on va s'attacher à limiter la largeur du triangle ainsi formé, car il représente l'énergie. Pour cela, on utilisera des bascules rapides !
    , les pointes rouges
Pertes par commutation
Comme il est impossible de diminuer la pointe, (liée à U et I), on diminue au maximum le temps de transitionEn bleu, le signal parfait, en gris la période t, en rouge le temps de commutation, en vert le temps 0 ou 1 :
Temps de transition des composants en HF
Il apparaît clairement que le ratio tc (temps de commutation : pertes Joule) en rouge est inacceptable au milieu (près de ≃ 50% !).
Alors qu'il est en vert acceptable en bas (< à 10%)
avec des composants très rapides !

Fréquence de découpage

Pour les alimentations :

Les plus miniatures (chargeurs de smartphones...) dépassent les 100 kHz et arrivent au MHz.
A l'opposé, les alimentations de quelques kilo-Watts vont descendre jusqu'à 50 kHz, au dessus des ultra-sons.

Pour les convertisseurs variateurs de XX kW à quelques MW :

Leur découpage devient audible et va de quelques centaines d'Hz à quelques kHz.
Avantages d'une fréquence élevée
  • Inaudible, plus compacte, plus légère
  • Taille minimale des composants passifsCondensateurs :
    C = (I × t) / U : quand la fréquence ↗, t ↘ (t = 1 / f) et donc la capacité C en Farad est inversement proportionnelle à la fréquence.
    Ex : 10 000 µF à 50 Hz, 10 µF à 50 kHz !

    Inductance : E = – L × (ΔI / Δt) ⇒ E est fixe, si t diminue : L diminue là aussi proportionnellement !
Inconvénients
  • Composants rapidesEn bleu, le signal parfait, en gris la période t, en rouge le temps de commutation, en vert le temps 0 ou 1 :
    Temps de transition des composants en HF
    Il apparaît clairement que le ratio tc (temps de commutation : pertes Joule) en rouge est inacceptable au milieu (près de ≃ 50% !).
    Alors qu'il est vert acceptable en bas (< à 10%)

    Ce qui implique des composants très rapides MOSFET qui sont indisponibles en haute puissance : IGBT plus lents seulement...
    peu disponibles en haute puissance
  • Bruit électronique : CEM Compatibilité électromagnétique
  • Pertes de puissance pour les onduleursLorsque le signal reste impulsionnel, onduleurs, convertisseur variateurs pour moteurs asynchrones...
    Les pertes dans les inductances des câbles de liaison et les bobines du moteur deviennent problématiques !

Conseils+, compléments, prérequis :
Jonction bipolaire
Résolution numérique analogique
Pertes commutation et conduction
Fréquence de découpage

Cours connexes recommandés par l'auteur :
Crée le 29 / 05 / 2017, der. màj le 26 / 10 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 295 fois ★★★★★
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Gu5835e07c1389f
https://www.tecnipass.com/cours-electronique.cem-alimentations-decoupage.numerique QUIFOCUS https://www.tecnipass.com Cx592bf872c9196
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