Les alimentations à découpage

L’apparition des transistors de commutation pouvant couper des courants importants avec une bonne fiabilité et disponibles à des prix compatibles avec le matériel grand public, permit l’utilisation d’une nouvelle génération d’alimentation : les alimentations à découpage.

Leur principe consiste à hacher la tension redressée et filtrée à une fréquence comprise entre 15 et 80 kHz. Cette tension est appliquée au primaire d’un transformateur dont le secondaire délivre les tensions nécessaires à l’alimentation des circuits du téléviseur. Voyons quels sont les avantages de ces alimentations.

Le transformateur est à noyau de ferroxcube, il est léger, moins coûteux et moins volumineux que les circuits magnétiques des transformateurs qui travaillent à 50 Hz.

Une très bonne régulation de toutes les tensions secondaires est obtenue quelles que soient les variations de la tension secteur et quelle que soit la consommation des circuits du téléviseur.

Le filtrage des tensions secondaires est plus facile, car à des fréquences élevées, des condensateurs de faible valeur, moins encombrants et moins chers, sont suffisants.

On obtient une isolation galvanique complète du châssis par rapport au secteur, ce qui permet d’avoir un châssis dit froid. Ainsi, les branchements de magnétophone, magnétoscope, jeu vidéo peuvent être effectués en toute sécurité.

A la différence de la régulation à transistor examinée précédemment, l’alimentation à découpage dissipe peu d’énergie par effet de Joule, d’où un meilleur rendement du circuit et une plus grande fiabilité des composants.

Cependant, la réalisation et le fonctionnement de ce type d’alimentation sont plus complexes, et il existe un risque de rayonnement entre 15 et 80 kHz sur les différents étages du téléviseur et sur le secteur. A cet effet, la présence d’un filtre secteur est nécessaire pour que les parasites produits par le découpage ne soient pas réinjectés sur le réseau.

I – Principe

Considérons le schéma représenté (figure 1 a) . Nous avons un circuit composé d’un générateur de courant continu E, d’une inductance L et d’un interrupteur P.

Lorsque nous fermons P, un courant I croissant linéairement traverse l’inductance L, la (figure 1 b) représente la croissance du courant I en fonction du temps.

Complétons le circuit par une diode, un condensateur et une charge (figure 2) et examinons son fonctionnement.

II – Fonctionnement

1) de t0 à t1

A t0, fermons P, le courant I1 croît linéairement dans la bobine comme le représente la (figure 3) , et la diode D est bloquée.

2) de t1 à t2

A t1, ouvrons P, le courant qui circulait avant cet instant continue à circuler dans le même sens. Le circuit 1 est ouvert et la self qui était récepteur de t0 à t1 devient génératrice de t1 à t2. La diode D devient passante (conductrice).

Un courant I2 circule dans le circuit 2 formé de la self L, du condensateur C et de la diode D. Le condensateur C se charge alors à une tension qui est fonction de la valeur de la résistance R.

En résumé, de t0 à t1 (P fermé), la self se charge en puisant de l’énergie dans la source E, pendant le temps t1 à t2 (P ouvert), la self se décharge dans le condensateur C.

En régime établi, le courant IL et la tension VL, relatifs à la bobine L, prennent la forme indiquée (figure 4) .

Nous voyons donc que la bobine L opère un simple transfert d’énergie entre le générateur E et la charge R. Si maintenant, nous appelons T1 le temps pendant lequel l’interrupteur P est fermé (de t0 à t1) et T2, le temps pendant lequel l’interrupteur P est ouvert (de t1 à t2), quand T1 = T2 nous avons :

= , = - or = =

Ceci se vérifie sue la (figure 4 b) , où l’on voit que les surfaces se trouvant de part et d'autre de l’axe des temps sont égales.

Si T1 et T2 prennent des valeurs différentes, c'est-à-dire si l’on modifie le rapport cyclique la tension a l’allure indiquée à la (figure 5) pour T2 = 5 T1.

On voit que > donc >

Or, les surfaces hachurées de part et d’autre de l’axe 0t sont égales. Nous avons donc :

. T1 = . T2 . T1 = . T2

D’où : = Ainsi le rapport entre la tension d’entrée et la tension de sortie dépend du rapport cyclique.

III – Evolution du montage

Si nous remplaçons l’enroulement L de la (figure 2) par un transformateur (figure 6 a) , nous ne modifions pas le principe de fonctionnement du circuit.

Supposons que le rapport cyclique = 1 et les deux enroulements et du transformateur branchés dans le même sens.

De t1 à t2 :

P est fermé, et , tension et courant relatifs à l’enroulement primaire ont la même forme que précédemment (figure 4) .

Un flux magnétique proportionnel à la variation de engendre dans chaque spire du transformateur une force électromotrice e égale à la dérivée par rapport au temps, changée de signe, de la fonction soit :

(volts) e = - , le signe - indique que, comme pour tout transformateur dont les enroulements sont branchés dans le même sens, la force électromotrice (f.é.m.) induite est en opposition de phase avec la tension aux bornes du primaire.

Pendant l’intervalle de temps t1 à t2, la f.é.m. présente aux bornes de Ls a des polarités telles que son potentiel négatif se trouve côté anode de la diode. Celle-ci est donc bloquée et aucun courant ne circule dans le circuit secondaire. La valeur de la f.é.m. dépend du nombre de spires de Ls et se calcule avec la formule :

e = - N . dans laquelle N = nombre de spires de Ls.

Det2  à t3 :

P s’ouvre, la croissance du courant est stoppée et la tension s’inverse. La f.é.m. , en opposition de phase avec , et induite sur Ls rend la diode D passante (conductrice) et le courant circule dans le circuit secondaire.

De t3 à t4 :

P se ferme, la f.é.m. induite s’inverse, ce qui bloque la diode D. Le courant devient donc nul car le circuit est ouvert. Le courant croît jusqu’en t4. On se trouve dans les mêmes conditions qu’en t2 et le processus continue.

Dans la pratique, le générateur E est remplacé par la tension secteur redressée et filtrée et l’interrupteur P est un transistor de commutation qui, tour à tour, se bloque et se sature à une fréquence comprise selon les montages entre 15 et 80 kHz.

IV – Fonctionnement de l’alimentation à découpage

A) Synoptique

La (figure 7) représente le synoptique d’une alimentation à découpage.

L’alimentation à découpage se compose de quatre parties principales :

a) Le circuit de puissance comprenant une cellule de redressement et de filtrage de la tension secteur et le découpeur constitué d’un transistor et d’un enroulement de transformateur. Ce découpeur hache la tension secteur redressée.

b) Le circuit oscillateur qui pilote le circuit de puissance.

c) Les circuits secondaires, composés d’enroulements du transformateur délivrant les différentes tensions de service et de cellules de redressement et de filtrage.

d) Le circuit de régulation, à partir d’une information donnée par le circuit de mesure de tension, modifie, le cas échéant, le rapport cyclique de la fréquence de découpage afin d’augmenter ou de diminuer la quantité d’énergie transférée aux circuits secondaires en cas de variation de la charge ou de la tension secteur.

B) Le circuit de puissance

Il se compose d’un transistor découpeur T1 fonctionnant en régime bloqué/saturé, de l’enroulement Lp du transformateur, du pont redresseur et de la résistance d’émetteur Rt dont le rôle est de contrôler la quantité de courant traversant le circuit (figure 8) .

Examinons le fonctionnement du circuit de puissance. Un signal carré est appliqué sur la base du transistor T1. Ce signal va tour à tour saturer et bloquer le transistor.

Phase de saturation de T1 :

Pendant l’alternance positive du signal carré appliqué sur la base, le transistor T1 conduit fortement. Il se sature et un courant I important, à croissance linéaire, traverse Lp. Ce courant provoque un flux magnétique qui induit une f.é.m. dans les autres enroulements.

Phase de blocage de T1 :

Pendant l’alternance négative du signal carré appliqué sur la base, T1 se bloque et le transfert d’énergie proprement dit s’effectue selon le processus déjà décrit.

C) Le circuit de commande

Il comprend :

Le circuit oscillateur dont le signal de sortie, après mise en forme, provoque tour à tour la saturation et le blocage du transistor découpeur.

Le circuit de régulation qui agit sur l’oscillateur, donc sur la commande du transistor découpeur afin de faire varier, le cas échéant, la quantité d’énergie transférée aux circuits secondaires. Plusieurs moyens permettent de réaliser cette régulation, c'est-à-dire la correction du rapport temps de conduction du transistor découpeur sur temps de blocage, notamment :

temps de conduction fixe et fréquence variable

temps de conduction variable et fréquence variable

temps de conduction variable et fréquence fixe

Une mesure du courant parcourant le circuit primaire (sécurité).

Une mesure de tension sur les enroulements secondaires.

D) Le circuit de mesure du courant

1) Le circuit de mesure du courant

Une résistance de faible valeur est placée dans le circuit de puissance entre l’émetteur du transistor découpeur et la masse (figure 9) . Elle est traversée par la totalité du courant de découpage, ainsi une mesure de la tension à ses bornes renseigne en permanence sur le débit du circuit.

Si ce débit augmente, la différence de potentiel aux bornes de la résistance augmente également. Cette augmentation est répercutée au circuit de régulation qui modifie la commande du transistor découpeur. Ce circuit permet surtout le blocage du circuit de puissance en cas de débit important.

2) le circuit de mesure de tension

Considérons le schéma de la (figure 9) .Lors de la phase de restitution de l’énergie pendant le temps de blocage du transistor découpeur, une tension apparaît aux bornes d’un enroulement auxiliaire LM du transformateur. Elle est ensuite redressée et filtrée par une diode DM et un condensateur CM. Le transformateur définit un rapport constant entre cette tension VM et la tension de service Vs : quand Vs augmente, VM augmente également et inversement. VM est comparée à une tension de référence fixe (V.réf.) et le résultat de cette comparaison permet au régulateur de contrôler la durée ou la fréquence du découpage, selon les montages, pour que la tension Vs reste constante quelle que soit la charge.

E) Les circuits de protection du transistor

Le transistor de puissance utilisé comme découpeur n’est pas un interrupteur parfait, et différentes précautions doivent être prises pour lui assurer un fonctionnement normal. Il convient donc d’évoquer le rôle des circuits de protection qui équipent l’ensemble des montages.

1) Le circuit retardateur

Son premier rôle est de raccourcir l’intervalle séparant la phase de saturation de la phase de blocage, intervalle durant lequel le transistor fonctionne en amplificateur avec un courant Ic et une tension Vce importants.

La puissance dissipée est donnée par la formule :

P (watts) = Vce (tension d’émetteur collecteur) x Ic (courant collecteur).

En régime saturé, Ic est important, mais Vce est pratiquement nul. P est donc négligeable.

En régime bloqué, Vce est important mais Ic est nul, d’où P est nul.

Mais le passage de l’état bloqué à l’état saturé se fait avec Ic important et Vce non négligeable. La puissance dissipée doit être limitée.

La deuxième fonction de ce circuit est de limiter la pointe de tension apparaissant aux bornes de l’enroulement Lp lors de la commutation du transistor.

Cette surtension, de l’ordre de 1000 volts environ, si elle se produisait, pourrait endommager le transistor.

Examinons le fonctionnement de ce circuit qui se compose, comme le montre la (figure 10) , d’un condensateur , d’une diode et d’une résistance .

L’élément principal de ce circuit est le condensateur dont la charge et la décharge permettent la protection du transistor.

Charge de  :

Le blocage du transistor n’est pas instantané, le courant qui le traverse décroît rapidement durant un temps . La décroissance du courant provoque une f.é.m. induite dans l’enroulement Lp d’autant plus importante que le temps de décroissance est petit, ceci se traduit par la formule :

E = - L avec E = f.é.m. induite L = inductance de Lp, en Ampères et en secondes.

Les polarités de la bobine Lp à cet instant sont représentées sur la (figure 10) : Lp est générateur et son potentiel positif est du côté collecteur du transistor. En ce point, la tension est la somme de la tension induite et de la tension d’alimentation. Pratiquement, lorsque le courant devient nul, la tension induite étant maximum, le collecteur du transistor est au potentiel de plus de 1000 volts. Le but du circuit de protection est d’allonger le temps de décroissance du courant pour que la f.é.m. induite soit moins importante et que le transistor ne soit pas détruit par claquage.

Le condensateur et l’enroulement Lp forment un circuit oscillant dont la fréquence est choisie pour que le transfert d’énergie de la bobine sur le condensateur se fasse en un temps tr plus long que le temps de fermeture du transistor (en pratique tr = 1,5 tf).

Ainsi, dans l’expression : E = - L , devient plus grand, E devient donc plus petit et la tension aux bornes de est limitée à une valeur comprise couramment entre 500 et 600 volts.

Durant toute la phase de blocage, ne peut se décharger, la tension d’alimentation étant en opposition avec le courant de décharge et le transistor n’étant pas conducteur.

Décharge de

Lors de la remise en conduction du transistor, la tension décroît rapidement : le courant dans le transistor est alors la superposition d’un courant à croissance linéaire dans l’enroulement et du courant de décharge exponentielle du condensateur () qui traverse et (figure 10) .

Ce courant permet au courant traversant le transistor, d’avoir des la remise en conduction de celui-ci, une valeur assez importante pour lui assurer une commutation plus franche.

Comme nous le voyons, la valeur des composants constituants ce circuit doit être calculée de façon précise pour que les constantes de temps soient respectées. On parvient ainsi à protéger le circuit de puissance.

2) Mise en forme de la commande de base

Il ne suffit de protéger l’espace émetteur collecteur par le circuit précédent. Il faut également donner une forme précise au signal appliqué sur la jonction base émetteur pour obtenir un fonctionnement fiable du transistor en régime bloqué saturé.

Lors de la saturation, le transistor a stocké beaucoup de charges sur sa base. Si lors du blocage, on se contente d’annuler la polarisation base émetteur, le courant de collecteur continue de circuler en utilisant ces charges, il est donc nécessaire de les éliminer rapidement lors du blocage. Ceci s’obtient en appliquant une tension inverse sur la jonction base émetteur qui va déstocker ces charges.

De même, nous avons vu précédemment que lors du passage de l’état bloqué à l’état saturé, le transistor fonctionne un court instant en amplificateur et dissipe une puissance importante.

Le circuit de mise en forme du signal de commande intervient pour raccourcir sa transition en conjuguant son action avec celle du circuit retardateur (décharge de ).

Le but du circuit que nous allons examiner maintenant, est de modifier l’allure du courant de base du transistor découpeur, ceci est obtenu par la charge et la décharge d’un condensateur.

La (figure 11) représente un tel circuit de commande ainsi que le sens des différents courants à l’instant du blocage.

Ce circuit se compose d’un transistor driver commandé par le multivibrateur de l’alimentation et attaquant l’enroulement du transformateur , de la jonction base émetteur du transistor découpeur , des résistances , , du condensateur et de l’enroulement du transformateur .

Ces deux transistors fonctionnent en commutation et en phase : en raison du sens de branchement de et , lorsque est bloqué, l’est aussi.

La phase de blocage :

A l’instant , la croissance du courant dans l’enroulement est stoppé, car est bloqué, décroît à travers la cellule - et les polarités de s’inversent (loi de Lenz). La décroissance rapide de induit une impulsion de tension aux bornes de et un courant circule du point A vers le point B à travers et qui est déchargé (figure 11) . Cette impulsion de courant a deux effets :

Aux bornes de apparaît une tension qui polarise en inverse la jonction base émetteur du transistor.

La charge de se fait sur le mode exponentiel décroissant. Ceci provoque de façon cumulative, le blocage quasi instantané du transistor découpeur par application d’un fort courant de base inverse et d’une polarisation base émetteur négative.

Le transistor restera bloqué pendant tout le temps de la charge de .

La phase de saturation :

Reportons nous sur la (figure 12) . A l’instant , le transistor est saturé, le courant à croissance linéaire traverse l’enroulement et l’espace émetteur collecteur de .

Il induit une tension aux bornes de dont les polarités sont représentées (figure 12) . Le courant qui circule de B vers A débite sur une charge résistive (, jonction émetteur base) et capacitive.

chargé pendant la phase du blocage selon les polarités indiquées (figure 11) , va se décharger rapidement et renforcer la saturation de . Des que est déchargé, le courant va charger avec les polarités indiquées (figure 12) . Des que est chargé (à l’instant), l’enroulement est connecté à une charge simplement résistive et le courant qui le parcourt a une croissance linéaire. Le condensateur sera déchargé et rechargé dans le sens inverse pendant la phase de blocage suivante.

Ce procédé qui consiste à insérer un condensateur dans le circuit de commande pour mettre en forme le courant de base est utilisé également avec les découpeurs pilotés différemment.

Les téléviseurs couleurs sont fréquemment équipés d’alimentation à découpage à fréquence fixe.

Ce procédé permet de modifier la quantité d’énergie transférée au secondaire selon la charge en rendant réglable le temps de conduction du transistor découpeur par une action sur le rapport cyclique du signal de commande de ce transistor.

Il existe également une alimentation dite auto oscillante à fréquence variable et dans laquelle un auto oscillateur, fonctionnant à haut niveau d’énergie, délivre un signal découpé de rapport cyclique fixe dont la fréquence varie selon la consommation du téléviseur. Si celle-ci augmente, la fréquence du signal découpé diminue le temps de conduction du transistor découpeur augmente, et d’avantage d’énergie est transférée aux circuits du téléviseur et inversement.

V – Alimentation à découpage à fréquence fixe

Sur la (figure 13) est représenté le synoptique de l’alimentation à découpage à fréquence fixe et sur la (figure 14) le schéma d’une alimentation à découpage à fréquence fixe. Voyons les différents circuits de cette alimentation :

L’oscillateur est, généralement, une cellule RC qui délivre un signal rectangulaire ou triangulaire.

L’étage de modification du rapport cyclique est, comme son nom l’indique, le circuit qui va commander le temps de conduction du découpeur en faisant varier l’allure du signal délivré par l’oscillateur

L’amplificateur d’erreur compare en permanence une tension mesurée sur le secondaire à une tension de référence. Il en détecte l’écart et le transmet sous la forme d’une tension d’erreur qui sert de commande à l’étage de modification du rapport cyclique.

Le circuit de démarrage et de mesure de courant a un double rôle :

Lors de la mise en service du téléviseur, il enraye la montée en régime établi de l’alimentation, si un débit anormal est détecté.

Il opère la mise en sécurité du circuit primaire, si en cours de fonctionnement, le courant de découpage devient trop élevé.

L’étage pilote (driver) est un étage tampon qui délivre au découpeur un signal amplifié et mis en forme.

Différents circuits de protection qui permettent un bon fonctionnement du transistor découpeur en régime de commutation.

Les autres étages (redressement, découpage et ses protections secondaires) n’ont aucune particularité dans ce type d’alimentation.

A) Les circuits spécifiques de l’alimentation à fréquence fixe

1) Le circuit oscillateur

Le schéma de ce circuit est donné à la (figure 15) . Le fonctionnement de ce circuit repose sur la charge et la décharge du condensateur. Il s’agit d’un relaxateur.

L’élément actif est un transistor uni jonction programmable (TUP) que l’on appelle parfois thyristor à double gâchette.

Le seuil de déclenchement de ce composant, c'est-à-dire la tension qu’il faut appliquer entre anode et cathode pour que le TUP devienne conducteur, est fixé par le potentiel présent sur l’une des gâchettes de commande.

Ainsi, si la commande sur la gâchette d’anode (Vga) est égale à + 8 volts, le TUP devient conducteur des que la tension d’anode (Va) dépasse le seuil de + 8 volts.

De même, si la tension de gâchette de cathode (Vgk) est fixée à + 8 volts, le TUP entre en conduction lorsque la tension de cathode (Vk) devient inférieure à + 8 volts.

Dans le circuit de la (figure 14) , la tension Vgk est de + 10 volts, la tension entre anode et masse est égale à + 15 volts.

Lorsque l’on met le téléviseur sous tension, des que la tension + 250 volts apparaît, le pont de résistances constitué par R642, R637, R611 et R612 est alimenté.

Sur l’anode du TUP (Th600) apparaît une tension de + 15 volts et sur la gâchette de cathode, une tension de + 10 volts.