La partie 4 de notre série de tutoriels vidéo sur les alimentations pour débutants et non-ingénieurs en électronique vous présente les différents types d’alimentations à découpage Buck et Boost.
Alimentations pour Débutants, Partie 4
Dans la partie 3 de notre série de tutoriels vidéo pour débutants sur les alimentations, nous avons examiné le test et l’utilisation des Alimentations Linéaires. Ici, dans la partie 4 de notre série de tutoriels vidéo, nous allons examiner le test et l’utilisation des Alimentations à Découpage, y compris les convertisseurs Buck et Boost, qui peuvent diminuer (buck) ou augmenter (boost) la tension de sortie.
Regardez la vidéo de la Partie 4 pour en savoir plus !
Transcription Suivante du Tutoriel Vidéo
Temps : 0:00sBonjour, je suis Chris Richardson, un ingénieur en électronique spécialisé dans les alimentations. Ceci est la quatrième d’une série de séminaires en ligne pour les personnes qui aiment les alimentations mais qui ne sont pas nécessairement formées en ingénierie électronique.
Jusqu’à présent dans cette série, nous avons rassemblé du matériel peu coûteux pour tester les alimentations, tant les alimentations non régulées que différents régulateurs linéaires, et il est maintenant temps de tester quelques régulateurs à découpage. L’alimentation moderne est celle qui domine le marché aujourd’hui.
Le Régulateur Buck – Le Plus Simple des Interrupteurs
Temps : 0:25sLe “buck” est le régulateur à découpage le plus simple et le plus facile à comprendre. L’interrupteur de contrôle en haut, un transistor bipolaire ou plus couramment un MOSFET, fonctionne avec la diode D1 pour créer une onde rectangulaire au point de connexion de l’interrupteur, de la diode et de l’inducteur.
Ce point est le nœud de commutation et c’est la tension la plus importante à sonder dans le système. L’inducteur et le condensateur forment un filtre passe-bas dont la sortie est principalement en DC (courant continu) avec un peu de AC (courant alternatif) en ondulation. La valeur moyenne de cette tension de sortie dépend de la tension d’entrée et du rapport cyclique de l’onde rectangulaire.
Temps : 0:56sLe rapport cyclique est égal à TON divisé par la somme de TON et TOFF et plus le rapport cyclique est élevé, plus la tension de sortie est élevée. Cet interrupteur réduit la tension de sortie, d’où son nom, Régulateur Buck.
Tout comme un régulateur linéaire, la tension VOUT théorique maximale est égale à VIN. En pratique, la tension VOUT maximale que nous pouvons atteindre est légèrement inférieure à VIN.
Tester un Régulateur à Découpage
Temps : 1:17sLe premier régulateur à découpage que nous allons tester aujourd’hui est le régulateur buck, et vous pouvez voir le circuit ici. Ceci est le condensateur d’entrée, et de petits condensateurs, ce sont les deux interrupteurs de contrôle. C’est un régulateur synchrone, ce qui signifie qu’au lieu d’une diode pour le côté bas, il dispose d’un MOSFET. L’inducteur de puissance avec la boucle de fil connectée en série est là pour mettre une sonde de courant si nécessaire, et ce sont les condensateurs de sortie ici.
En ce moment, ce convertisseur buck est non chargé et j’utilise les +5 volts de l’alimentation ATX et ici, il y a environ 5 volts en entrée, et la sortie que j’ai ajustée à environ 1,9 volts. En ce moment, il n’y a pas de charge et ces quatre résistances de puissance de 8Ω chacune sont connectées en parallèle pour donner une charge de 2Ω.
Lorsque je les connecte, ils fournissent une charge d’environ 1 ampère. Vous pouvez voir que la tension d’entrée diminue légèrement, et aussi la tension de sortie diminue légèrement, mais elle est toujours régulée.
Temps : 2:13sJ’ai modifié certaines choses pour montrer la haute efficacité du régulateur à découpage ici. Je mesure maintenant la tension d’entrée sur le multimètre bleu, et le courant d’entrée sur le multimètre orange ici. Je veux que vous voyiez que lorsque nous alimentons le circuit avec la charge connectée, à 5 volts, cela tire environ 380 mA (0,380 A).
Maintenant, j’utilise l’entrée de 12 volts pour l’alimenter et vous pouvez voir 12 volts sur le multimètre bleu, la charge est la même et la tension de sortie est la même, mais maintenant le courant de sortie a chuté à 210 mA (0,210 A).
C’est une propriété intéressante des convertisseurs à découpage. À mesure que la tension d’entrée augmente, le courant d’entrée diminue. En fait, lorsque vous testez un régulateur à découpage, l’un des premiers tests de base consiste à avoir une alimentation d’entrée variable et à surveiller pour s’assurer qu’à mesure que vous augmentez la tension d’entrée, le courant d’entrée diminue.
Temps : 2:59sVoici l’arrière du circuit régulateur buck. Je mesure le nœud de commutation et la tension de sortie avec deux sondes d’oscilloscope, une charge d’un ampère étant alimentée par l’entrée de 12 volts. Nous pouvons voir le nœud de commutation en jaune avec son rapport cyclique et l’ondulation résultante sur la tension de sortie. Environ 20 à 30 mV crête à crête.
Temps : 3:23sLe même experiment encore mais cette fois-ci nous alimentons avec 5 volts à l’entrée, et maintenant nous pouvons voir que le rapport cyclique devient beaucoup plus élevé, nous sommes dans le convertisseur buck et le rapport cyclique est approximativement égal à la tension de sortie de 1,9 volts divisée par la tension d’entrée de 5 volts, et nous avons également une ondulation légèrement inférieure, peut-être quelque part dans la gamme de 10 à 15 mV.
Le Régulateur Boost
Temps : 3:45sUn régulateur boost est à peu près un régulateur buck fonctionnant à l’envers. Imaginez simplement que D1 était un MOSFET et que TR1 était une diode. Là où vous voyez VIN, il y a toujours un condensateur même s’il n’est pas montré dans ce schéma.
Un Régulateur Boost est un excellent circuit pour expliquer pourquoi un inducteur est le cœur de la plupart des régulateurs à découpage. Pour produire une tension de sortie qui est plus élevée que la tension d’entrée, le régulateur boost stocke de l’énergie dans le champ magnétique de l’inducteur qui se développe à mesure que le courant dans L1 augmente pendant que TR1 est « ON ».
Le circuit de contrôle éteint TR1 alors que le courant est encore en cours d’écoulement. L’inducteur peut théoriquement augmenter la tension qui traverse à l’infini pour maintenir ce flux de courant. Malheureusement, il n’a pas besoin d’aller à l’infini, juste suffisamment pour mettre D1 en conduction directe, alors le courant peut passer à la sortie. En théorie, le régulateur boost lui-même peut augmenter la tension de sortie à l’infini, mais en pratique, il est limité à environ 10 fois la tension d’entrée (10*VIN).
Une dernière note importante ici. Le régulateur boost peut uniquement augmenter VOUT par rapport à VIN, ce qui est l’exact opposé du régulateur buck.
Temps : 4:45sDe mon exemple de régulateur boost, j’utilise un PCB qui a en fait deux régulateurs à découpage. Le supérieur est un régulateur inversé, qui est une topologie très intéressante, mais nous n’avons pas le temps d’en parler ici donc il est désactivé.
La partie inférieure est un régulateur boost et les pièces sont assez petites. Le condensateur d’entrée est en fait caché sous les fils d’entrée. Ceci est l’inducteur de puissance et la diode de sortie est cachée derrière ce dispositif de test que j’utilise pour faire des mesures très précises du nœud de commutation, tandis que le condensateur de sortie est également caché sous ce dispositif de test et là pour faire des mesures précises de la tension de sortie.
Maintenant, j’ai +5 volts provenant de mon alimentation ATX et environ 14,7 volts en sortie. Vous vous demandez peut-être pourquoi j’aurais 14,7 volts, et la réponse honnête est que ce circuit, comme la plupart de ceux que j’ai montrés, provient de choses que j’ai faites spécialement pour différents types de clients. 14,7 volts n’est pas une tension typique, mais ce sont des régulateurs ajustables, donc vous pouvez obtenir à peu près n’importe quelle tension que vous voulez avec eux.
Voici de nouveau le convertisseur boost, mais cette fois je mesure le courant d’entrée et le courant de sortie, donc quand je l’allume, à 5 volts, il tire environ 900 mA (0,9 A) à la sortie et 3,5 ampères à l’entrée. Rappelez-vous que c’est l’opposé du convertisseur buck, et dans le convertisseur buck, comme la tension de sortie est plus basse, le courant d’entrée est toujours inférieur au courant de sortie.
Dans le convertisseur boost, c’est l’inverse. Comme l’efficacité énergétique est élevée, la puissance d’entrée est approximativement égale à la puissance de sortie. Ainsi, puisque la tension d’entrée est inférieure à la tension de sortie, le courant d’entrée est supérieur au courant de sortie.
Temps : 6:25sPour le dernier test du convertisseur boost, j’ai le circuit ici alimentant la même charge d’environ 900 mA et 5 volts d’entrée à 14,7 volts de sortie, et ici nous pouvons voir le nœud de commutation en jaune et la tension de sortie en AC couplée en bleu.
Il y a deux choses importantes à noter comme différences entre ceci et le convertisseur buck. La tension du nœud de commutation oscille entre zéro et la tension de sortie, et l’ondulation est beaucoup plus élevée. Cela est toujours vrai dans un convertisseur boost. Dans le convertisseur boost, la tension d’entrée est beaucoup plus lisse tandis que la tension de sortie a plus d’ondulations, et l’inverse est vrai dans un convertisseur buck.
Régulateur Buck-Boost Inversé
Temps : 7:02sLa dernière topologie des trois de base est le Régulateur Buck-Boost. Comme son nom l’indique, il peut générer une tension de sortie dont la valeur réelle est supérieure ou inférieure à celle de la tension d’entrée. Mais, et c’est un gros mais, la polarité de la tension de sortie est inversée par rapport à l’entrée.
Le nombre de circuits modernes ayant besoin de tensions négatives (-ve) est en diminution. Mais des amplificateurs sensibles, des capteurs et d’autres équipements utilisent encore des tensions positives et négatives pour fonctionner.
Tout comme le boost, le buck-boost utilise l’incroyable capacité de l’inducteur à générer cette tension négative. Dans ce cas, la tension à travers l’inducteur inverse sa polarité pour maintenir le flux de courant, lorsque TR1 est éteint. Si vous inspectez la fonction de transfert à gauche, en théorie la tension de sortie peut aller jusqu’à moins l’infini. En pratique, vous arrivez à environ moins 10 fois la tension d’entrée, (-10*VIN).
Temps : 7:50sJe suis désolé de dire que je n’ai pas pu trouver de carte d’évaluation ou de PCB de démonstration pour montrer un véritable régulateur buck-boost inversé. Mais vous pouvez habituellement prendre presque n’importe quel régulateur buck et le transformer en buck-boost inversé en changeant la polarité et la connexion de la diode de sortie et de l’inducteur de sortie. Donc peut-être que je pourrais faire quelque chose comme cela dans une future vidéo.
Le Régulateur Flyback
Temps : 8:11sAucune discussion sur les régulateurs à découpage ne serait complète sans le régulateur Flyback. En termes de volume pur, le régulateur à découpage le plus courant est le buck. Seulement votre téléphone mobile en a environ cinq ou dix, mais le flyback est le numéro deux. À peu près toutes les alimentations AC à DC sous 50 watts utilisent cette topologie très flexible d’une manière ou d’une autre.
Le régulateur flyback est basé sur le régulateur buck-boost mais il a deux enroulements dans son inducteur. En fait, si vous rendiez Nps, qui est le rapport des deux enroulements, égal à un (1:1), le régulateur flyback et le régulateur buck-boost auraient exactement la même fonction de transfert. Le rapport de ces enroulements permet à VOUT d’être égal à VIN, mais cela pourrait aussi être beaucoup, beaucoup plus élevé ou beaucoup, beaucoup plus bas.
Les deux enroulements peuvent également être isolés, et c’est formidable pour la sécurité électrique, en évitant d’électrocuter quelqu’un et aussi pour isoler les circuits sensibles des circuits bruyants. Enfin, comme la sortie flyback est déconnectée par le transformateur ou l’inductance couplée, elle peut être positive ou négative.
Temps : 9:05sAvec tous les fils déconnectés, je peux vous montrer les parties les plus importantes de cette alimentation. Donc nous avons ici les condensateurs d’entrée, un MOSFET de puissance ici sur le côté primaire. Voici le transformateur ou mieux connu sous le nom d’inducteur couplé, la diode de sortie et les condensateurs de sortie. Notez également qu’il y a cette séparation entre le côté primaire et le côté secondaire afin qu’il puisse s’agir d’un convertisseur isolé, encore une fois pour la sécurité électrique ou pour éliminer le bruit.
À l’arrière, nous pouvons voir encore une fois la séparation ici et ces diodes relient en fait la terre du primaire à la terre du secondaire. Donc, ce circuit particulier n’est pas isolé, mais il pourrait l’être. Si nous voulions l’isoler, nous nous débarrasserions de ces résistors et utiliserions un dispositif appelé un opto-coupleur pour faire le retour d’information pour le contrôle de l’alimentation.
Alimentation Flyback
Temps : 9:54sVoici une petite alimentation flyback qui est conçue pour fonctionner de 36 volts à 72 volts. C’est typiquement connu comme une plage de télécommunications. C’est à la limite de ce que je peux faire avec mon alimentation ATX. Donc, pour obtenir ces 22,4 volts, qui devraient être 24 volts, je fonctionne en fait de -12 volts (-12V) à +12 volts (+12V) et je peux le faire parce que l’alimentation ATX utilise la même terre commune pour ces deux.
Mais il y a un problème. Si j’essayais de mesurer avec une sonde d’oscilloscope ici. Puisqu’il s’agit de la terre, dès que je me connecte et touche ici, mon alimentation s’éteint car j’ai provoqué un court-circuit de la tension de sortie à la terre. Donc, ce que je vais faire, c’est tricher un peu et en fait utiliser ce qu’on appelle une alimentation de laboratoire isolée pour faire le reste des expériences.
Voici encore le régulateur flyback, mais maintenant il est alimenté par 48 volts à l’entrée et cela provient de cette alimentation de laboratoire triphasée. J’ai vérifié sur eBay et celles-ci coûtent typiquement entre 100 euros et 200 euros. Donc elles ne sont pas gratuites, mais ce ne sont pas, disons, un budget trop important.
Formes d’Onde de l’Alimentation Flyback
Quoi qu’il en soit, un régulateur flyback a en fait deux nœuds de commutation. Il se compose vraiment de deux inducteurs couplés sur le même noyau. Donc nous regardons le côté primaire connecté au MOSFET de puissance en jaune, et le côté secondaire connecté à la diode en bleu. Notez également que ces tensions sont beaucoup plus élevées que celles avec lesquelles nous avons traité jusqu’à présent.
Donc vous m’avez vu dans ces vidéos toucher les circuits pendant qu’ils fonctionnent, et cela va peut-être pour des circuits opérant jusqu’à 12 volts, mais je ne toucherais certainement pas ce circuit pendant qu’il est en fonctionnement car 48 volts est suffisant pour vous donner un choc désagréable.
Cela conclut la partie 4 sur les alimentations pour les non-EEs. Restez à l’écoute pour la partie 5 où nous comparerons et contrasterons les différents types d’alimentations que nous avons examinés jusqu’à présent pour voir lesquelles fonctionnent le mieux dans quelles situations.
Au nom de moi-même et des electronics-tutorials.ws, merci d’avoir regardé.
Fin de la transcription.
Vous pouvez trouver plus d’informations et un excellent tutoriel sur les alimentations buck et boost en suivant ce lien : Alimentation à Mode de Découpage.
Dans la partie 5 et finale de notre série de tutoriels vidéo sur les alimentations pour débutants, nous discuterons et comparerons les différents types d’alimentations, y compris les alimentations à découpage et linéaires que nous avons examinées dans les tutoriels précédents.
