Circuits électroniques - SMPS

Les sujets abordés jusqu'à présent représentent différentes sections du bloc d'alimentation. Toutes ces sections ensemble font leLinear Power Supply. Il s'agit de la méthode conventionnelle pour obtenir du CC à partir de l'alimentation CA d'entrée.

Alimentation linéaire

L'alimentation linéaire (LPS) est l'alimentation régulée qui dissipe beaucoup de chaleur dans la résistance série pour réguler la tension de sortie qui a une faible ondulation et un faible bruit. Ce LPS a de nombreuses applications.

Une alimentation linéaire nécessite des dispositifs à semi-conducteurs plus gros pour réguler la tension de sortie et génère plus de chaleur, ce qui entraîne une efficacité énergétique inférieure. Les alimentations linéaires ont des temps de réponse transitoires jusqu'à 100 fois plus rapides que les autres, ce qui est très important dans certains domaines spécialisés.

Avantages du LPS

• L'alimentation électrique est continue.
• Le circuit est simple.
• Ce sont des systèmes fiables.
• Ce système répond de manière dynamique aux changements de charge.
• Les résistances du circuit sont modifiées pour réguler la tension de sortie.
• Comme les composants fonctionnent dans une région linéaire, le bruit est faible.
• L'ondulation est très faible dans la tension de sortie.

Inconvénients du LPS

• Les transformateurs utilisés sont plus lourds et plus gros.
• La dissipation thermique est plus.
• L'efficacité de l'alimentation linéaire est de 40 à 50%
• L'énergie est gaspillée sous forme de chaleur dans les circuits LPS.
• Une seule tension de sortie est obtenue.

Nous avons déjà parcouru différentes parties d'une alimentation linéaire. Le schéma fonctionnel d'une alimentation linéaire est illustré dans la figure suivante.

Malgré les inconvénients ci-dessus, les alimentations linéaires sont largement utilisées dans les amplificateurs à faible bruit, les équipements de test et les circuits de commande. De plus, ils sont également utilisés dans l'acquisition de données et le traitement du signal.

Tous les systèmes d'alimentation nécessitant une régulation simple et où l'efficacité n'est pas un problème, les circuits LPS sont utilisés. Comme le bruit électrique est plus faible, le LPS est utilisé pour alimenter des circuits analogiques sensibles. Mais pour surmonter les inconvénients du système d'alimentation linéaire, l'alimentation en mode commuté (SMPS) est utilisée.

Alimentation à découpage (SMPS)

Les inconvénients des LPS tels que le rendement inférieur, la nécessité d'une grande valeur de condensateurs pour réduire les ondulations et les transformateurs lourds et coûteux, etc. sont surmontés par la mise en œuvre de Switched Mode Power Supplies.

Le fonctionnement du SMPS se comprend simplement en sachant que le transistor utilisé en LPS sert à contrôler la chute de tension tandis que le transistor en SMPS est utilisé comme un controlled switch.

Travail

Le fonctionnement de SMPS peut être compris par la figure suivante.

Essayons de comprendre ce qui se passe à chaque étape du circuit SMPS.

Étape d'entrée

Le signal d'alimentation d'entrée CA 50 Hz est transmis directement à la combinaison redresseur et circuit de filtre sans utiliser de transformateur. Cette sortie aura de nombreuses variations et la valeur de capacité du condensateur doit être plus élevée pour gérer les fluctuations d'entrée. Ce courant continu non régulé est donné à la section de commutation centrale du SMPS.

Section de commutation

Un dispositif de commutation rapide tel qu'un transistor de puissance ou un MOSFET est utilisé dans cette section, qui commute sur ON et OFF selon les variations et cette sortie est donnée au primaire du transformateur présent dans cette section. Les transformateurs utilisés ici sont beaucoup plus petits et plus légers contrairement à ceux utilisés pour une alimentation à 60 Hz. Ceux-ci sont très efficaces et par conséquent le rapport de conversion de puissance est plus élevé.

Étape de sortie

Le signal de sortie de la section de commutation est à nouveau redressé et filtré pour obtenir la tension continue requise. Il s'agit d'une tension de sortie régulée qui est ensuite fournie au circuit de commande, qui est un circuit de rétroaction. La sortie finale est obtenue après avoir considéré le signal de retour.

Unité de contrôle

Cette unité est le circuit de rétroaction qui comporte de nombreuses sections. Ayons une compréhension claire à ce sujet à partir de la figure suivante.

La figure ci-dessus explique les parties internes d'une unité de commande. Le capteur de sortie détecte le signal et le relie à l'unité de commande. Le signal est isolé de l'autre section afin qu'aucune pointe soudaine n'affecte les circuits. Une tension de référence est donnée comme une entrée avec le signal à l'amplificateur d'erreur qui est un comparateur qui compare le signal avec le niveau de signal requis.

En contrôlant la fréquence de découpage, le niveau de tension final est maintenu. Ceci est contrôlé en comparant les entrées données à l'amplificateur d'erreur, dont la sortie aide à décider d'augmenter ou de diminuer la fréquence de découpage. L'oscillateur PWM produit une fréquence fixe d'onde PWM standard.

Nous pouvons avoir une meilleure idée du fonctionnement complet de SMPS en regardant la figure suivante.

Le SMPS est principalement utilisé là où la commutation des tensions n'est pas du tout un problème et où l'efficacité du système compte vraiment. Il y a peu de points à noter concernant SMPS. Elles sont

• Le circuit SMPS fonctionne par commutation et donc les tensions varient en permanence.

• L'appareil de commutation fonctionne en mode saturation ou coupure.

• La tension de sortie est contrôlée par le temps de commutation du circuit de retour.

• Le temps de commutation est ajusté en ajustant le cycle de service.

• L'efficacité du SMPS est élevée car, au lieu de dissiper l'excès d'énergie sous forme de chaleur, il commute continuellement son entrée pour contrôler la sortie.

Désavantages

Il y a peu d'inconvénients dans SMPS, tels que

• Le bruit est présent en raison de la commutation haute fréquence.
• Le circuit est complexe.
• Il produit des interférences électromagnétiques.

Avantages

Les avantages de SMPS comprennent,

• L'efficacité est aussi élevée que 80 à 90%
• Moins de génération de chaleur; moins de gaspillage d'énergie.
• Rétroaction harmonique réduite dans le réseau d'alimentation.
• L'appareil est compact et de petite taille.
• Le coût de fabrication est réduit.
• Disposition pour fournir le nombre de tensions requis.

Applications

Il existe de nombreuses applications de SMPS. Ils sont utilisés dans la carte mère des ordinateurs, des chargeurs de téléphones portables, des mesures HVDC, des chargeurs de batterie, de la distribution centrale d'énergie, des véhicules automobiles, de l'électronique grand public, des ordinateurs portables, des systèmes de sécurité, des stations spatiales, etc.

Types de SMPS

SMPS est le circuit d'alimentation à découpage conçu pour obtenir la tension de sortie CC régulée à partir d'une tension CC ou CA non régulée. Il existe quatre principaux types de SMPS tels que

• Convertisseur DC en DC
• Convertisseur CA en CC
• Convertisseur Fly Back
• Convertisseur avant

La partie de conversion CA en CC dans la section d'entrée fait la différence entre le convertisseur CA en CC et le convertisseur CC en CC. Le convertisseur Fly back est utilisé pour les applications à faible puissance. Il existe également des convertisseurs Buck et Boost dans les types SMPS qui diminuent ou augmentent la tension de sortie en fonction des besoins. L'autre type de SMPS comprend le convertisseur fly-back auto-oscillant, le convertisseur Buck-boost, Cuk, Sepic, etc.