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Fonctionnement d’une alimentation (1ère partie)

1 : Introduction 3 : Comment découpe-t-on une tension ? 4 : Fonctionnement 5 : Approfondissements des composants 6 : Approfondissements des composants (suite) 7 : Topologies de fonctionnement 8 : Topologie en demi-pont 9 : Topologie en demi-pont (suite) 10 : Topologie en conduction directe 11 : Topologie en conduction directe (suite) 12 : Point de vue global sur l'alimentation, modifs à éviter 13 : Rendement électrique 14 : Rendement électrique : améliorations possibles 15 : Rendement électrique : remise en cause et évolution

Pourquoi du découpage ?

Principe de base

Une alimentation pour ordinateur est un système complexe qui doit être capable de fournir plusieurs tensions de manière régulée (3.3, 5, 12 et -12 V actuellement).

Les alimentations basse tension du type chargeur ou petit transformateur pour console, téléphone, etc. abaissent le 230 V alternatif à quelques volts à l’aide d’un transformateur, le redressent grâce à un pont de diodes, le lissent grâce à un condensateur et le régulent (pas toujours le cas) pour fournir du 12 V continu par exemple. C’est un système très simple de ce type :

Image 1 : Fonctionnement d'une alimentation (1ère partie)

Le problème c’est que le régulateur linéaire, qui agit comme une résistance variable s’occupant de maintenir ce 12 V en sortie quelles que soient la tension d’entrée et la charge appliquée, occasionne une chute de tension (on passe de 15 à 12 V par ex.). Celle-ci génère donc des pertes et une puissance thermique qu’il faut évacuer.

Le rendement d’un tel système est très mauvais (25-50 %) car on dissipe beaucoup d’énergie inutilement, mais il est suffisant pour de très petites puissances car c’est très peu cher à fabriquer. Néanmoins, on emploie de plus en plus du découpage pour optimiser et réduire énormément la taille de ces adaptateurs. Si on utilisait ce genre de système linéaire pour alimenter un PC qui demanderait 300 W, il faudrait consommer pas loin de 900 W pour que le système fonctionne, avec une différence de 600 W qui partirait en chaleur ! En 50 Hz, il faudrait un gros transformateur, pesant pas loin de 10 kg, pour être capable de fournir 300 W, en plus des 600 W de pertes induites par la régulation, qu’il faudra bien dissiper….

Il faut donc trouver une solution beaucoup plus efficace et c’est là que le découpage intervient. Pour faire simple, une alimentation à découpage transforme le 230 V alternatif en 325-400 V continu, puis hache cette tension à haute fréquence pour en faire un train de fines impulsions (durée = ~0.00001 seconde), dont la moyenne lissée et filtrée donnera les tensions nécessaires en sortie. Voici l’explication en images :

Image 2 : Fonctionnement d'une alimentation (1ère partie)

Le rapport cyclique (duty cycle en anglais) est le rapport entre le temps de conduction et le temps d’une période (conduction+blocage) de la forme en créneau. Si on hache du 10 V avec un rapport cyclique de 50 %, on obtient du 5 V en moyennant le signal obtenu. Si on hache ce 10 V à 25 % maintenant, on obtiendra du 2.5 V et ainsi de suite. Il suffit de calculer le bon rapport entre le temps de conduction et la valeur de la tension à découper pour avoir ce que l’on souhaite en sortie.

Sommaire :

  1. Introduction
  2. Pourquoi du découpage ?
  3. Comment découpe-t-on une tension ?
  4. Fonctionnement
  5. Approfondissements des composants
  6. Approfondissements des composants (suite)
  7. Topologies de fonctionnement
  8. Topologie en demi-pont
  9. Topologie en demi-pont (suite)
  10. Topologie en conduction directe
  11. Topologie en conduction directe (suite)
  12. Point de vue global sur l'alimentation, modifs à éviter
  13. Rendement électrique
  14. Rendement électrique : améliorations possibles
  15. Rendement électrique : remise en cause et évolution