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L’ALIMENTATION
Pour pouvoir fonctionner, un amplificateur, comme tout autre dispositif électronique, a besoin d’une alimentation. Ses performances sont liés aux performances de cette alimentation, c’est ainsi que l’on a choisi de consacrer ce chapitre à l’étude de cette dernière.
Une alimentation doit pouvoir fournir toute la puissance demandée, et de plus, elle doit être stable pour ne pas introduire de parasites dans le dispositif qu’elle alimente.
Alimentation à découpage : Justification du choix
Notre but étant de fournir une alimentation stabilisée, le choix de l’alimentation à découpage (Switch Mode Power Supply ou SMPS) se justifie par sa rapidité à assurer les transitoires, son rendement plus élevé et son poids plus léger par rapport à une alimentation linéaire classique, ce que l’on va montrer dans les paragraphes qui suivent.
Formule de Boucherot
Pour obtenir la tension de service à partir du réseau électrique, que ce soit avec une alimentation linéaire ou une alimentation à découpage, on a besoin d’un transformateur. La différence est que, avec une alimentation linéaire, la tension d’entrée au primaire du transformateur a une fréquence qui est imposée par le réseau électrique, c’est-à-dire 220 V / 50 Hz.
Puisqu’un transformateur ne fait que convertir l’énergie, si aucun courant n’est débité au secondaire, le primaire ne doit consommer aucun courant. En d’autres termes, l’impédance, c’est-à-dire, l’inductance du primaire est infinie. Ceci est presque vrai grâce au matériau magnétique qui, par sa présence à l’intérieur des spires, augmente considérablement l’inductance. Mais ce matériau sature lorsqu’il ne peut plus emmagasiner d’énergie magnétique supplémentaire, ce qui entraine une chute considérable de l’inductance du primaire. Cette limite de saturation de l’énergie magnétique (champ magnétique maximum Bmax) est liée à la tension maximale Umax applicable au bobinage, au nombre de spires N du bobinage, à la surface S du matériau et à la fréquence de fonctionnement par la formule de Boucherot (Eq.2.1) [4] : =4.44∗∗ ∗ ∗ (2.1)
En conséquence, si l’on choisissait d’augmenter la fréquence de fonctionnement, on pourrait réduire le nombre de spires et la surface du matériau. Ce qui résulte par une réduction du poids du transformateur.
Régulation de la tension de sortie
Avec une alimentation linéaire, on utilise un régulateur de tension après avoir redressé la tension de sortie du transformateur pour obtenir une tension continue stable. Le régulateur est un convertisseur continu-continu asservi en tension (une source de tension à valeur moyenne non nulle en entrée, une source de tension à valeur moyenne non nulle en sortie) [5]. Etant donné qu’il présente simultanément une tension non nulle à ses bornes et un courant non nul le traversant en permanence, à cause de son caractère linéaire, cela engendre une dissipation d’énergie.
En utilisant un hacheur suivi par un filtre, le tout asservi en tension, cette dissipation peut être considérablement réduite. Dans ce cas, le composant utilisé pour moduler la tension en sortie du montage fonctionne en régime de commutation (le composant est soit bloqué : le courant qui le traverse est nul ; soit passant : la tension à ses bornes est presque nulle) ce qui présente des pertes de fonctionnement beaucoup plus faibles, donc, un rendement plus élevé.
En plaçant le transformateur entre le hacheur et le filtre, on peut augmenter la fréquence de fonctionnement et ainsi, bénéficier de la réduction du nombre de spires du transformateur sans risque de saturation magnétique.
Principe de fonctionnement des alimentations à découpage
Il y a trois grandes familles d’alimentation à découpage selon le type de hacheur [6] utilisé :
– Les alimentations Flyback, basées sur le hacheur à stockage inductif
– Les alimentations Forward, basées sur le hacheur série
– Les alimentations Push-Pull, basées sur le principe du hacheur en pont
On va entrer dans les détails sur ces trois types d’alimentation dans les paragraphes suivants.
Alimentation à découpage à stockage inductif : Flyback
Principe et fonctionnement
L’alimentation de type Flyback est basée sur le principe du hacheur à stockage inductif dont le schéma est présenté à la Fig.2.2.
L’interrupteur H est fermé pendant la fractionT de la période de découpage T. La source primaire fournit alors de l’énergie à l’inductance L (le courant il croît), la diode D est bloquée (Vd < 0), le courant dans la charge est fourni par la décharge du condensateur C.
Lorsque l’on ouvre l’interrupteur H deT à T, la diode D assure la continuité du courant dans l’inductance L. On a alors décharge de L dans la ZL et dans le condensateur C.
En choisissant bien la valeur de C de sorte que l’on puisse rendre négligeable la décharge de C entreT à T, c’est-à-dire, assimiler la tension de sortie à une constante, on peut considérer la décroissance du courant deT à T comme linéaire. On obtient alors les chronogrammes suivants (Fig. 2.3).
Pour utiliser ce type de hacheur dans une alimentation à découpage, il est nécessaire d’introduire une isolation galvanique entre l’interrupteur (dispositif de commutation) et le filtre de sortie. Pour cela, l’inductance sera remplacée par deux inductances couplées, bobinées sur le même noyau. Ce qui nous donne le schéma présenté à la Fig. 2.4. La magnétisation de l’inductance est réalisée par le premier enroulement tandis que la démagnétisation est réalisée par le deuxième enroulement.
Etude des formes d’ondes
On supposera que la constante de temps RC du filtre de sortie de l’alimentation à découpage est très grande devant la période de fonctionnement T de l’alimentation. Nous assimilerons donc la tension de sortie à une constante. 17 i. ∈ [ , [ → Interrupteur fermé
La tension vd = v2 – Vs < 0, donc la diode D est bloquée : aucun courant ne circule dans le secondaire de l’inductance couplée. Alors, l’énergie est stockée dans le circuit primaire de cette dernière. ii. = :
La continuité du flux dans le circuit magnétique entraine la continuité des ampères-tours (i.e. n2i2 = n1i1max) au niveau de l’inductance couplée. Le courant magnétisant à la présence du flux dans l’inductance ne pouvant plus passer par l’enroulement primaire (l’interrupteur est ouvert), il est forcé dans l’enroulement secondaire, entrainant la mise en conduction de la diode. iii. ∈ ] , [ :
La diode D est passante, on a alors la relation (Eq.2.2) : 2= −∗ +(L2 : inductance du secondaire)(2.2)
On constate alors que les deux enroulements ne sont pas parcourus par un courant en même temps. L’inductance couplée stocke de l’énergie tant que l’interrupteur est fermé, puis restitue cette énergie par le secondaire quand l’interrupteur est ouvert. Cette caractéristique nécessite un circuit magnétique avec entrefer, le courant principal étant le courant magnétisant.
Le calcul de la valeur de la tension de sortie en fonction de n1, n2,et Ve est immédiat si l’on tient compte du fait que la tension moyenne aux bornes d’une inductance, en régime permanent est nulle. Elle est donnée par l’Eq.2.3 : 1(1− )=2∗ (2.3)
Avantages et inconvénients
Ce type d’alimentation est très pratique pour de faibles puissances (<150 W) car nécessite peu de composants et ne comporte qu’un seul composant bobiné.
Néanmoins, l’énergie étant stockée dans l’inductance couplée et dans le condensateur de sortie, ces derniers deviennent encombrants pour des puissances supérieures à 200 W.
De plus, on risque une surtension lors du fonctionnement à vide car, l’énergie stockée durant la phase de magnétisation est alors transmise au condensateur durant la phase de démagnétisation, ce qui risque de détruire le condensateur.
Alimentation à découpage à conduction directe : Forward
Principe et fonctionnement
Ce type d’alimentation est basé sur le principe du hacheur série [6] dont le schéma est présenté à la Fig. 2.6. Le transformateur est placé en série avec l’interrupteur statique du hacheur, la diode de roue libre étant placée au secondaire du transformateur. Un troisième enroulement (tension V3), qui permet la démagnétisation du transformateur après la phase de conduction de l’interrupteur T, est placé sur le noyau du transformateur.
La diode Dm permet de forcer la démagnétisation par le troisième enroulement. Le fonctionnement peut être divisé en deux phases :
De 0 àT, l’interrupteur est passant, le primaire est soumis à la tension Ve. Cela entraine la magnétisation du transformateur, qui induit un transfert d’énergie de la source vers le filtre et la charge via le transformateur et la diode D.
DeT à T, l’interrupteur est bloqué. Il apparait une phase de roue libre au niveau du secondaire (continuité du courant dans l’inductance via la diode de roue libre). En même temps, une phase de démagnétisation du transformateur par continuité du courant magnétisant à travers le troisième enroulement se met aussi en place. Il est nécessaire d’attendre la fin de la démagnétisation du transformateur avant d’entrer à nouveau dans une phase de magnétisation et de transfert d’énergie.
Etude des formes d’ondes
On supposera que le filtrage est suffisamment efficace pour que l’on puisse considérer la sortie Vs comme constante, de ce fait, le courant is sera lui aussi constant. i. ∈ [ , [ → Interrupteur fermé
Le courant i1 a pour expression : =ℜ +2(( 2− )−)(2.4)
Comme pour le cas de l’alimentation de type Flyback, la continuité du flux dans le circuit magnétique entraine la continuité des ampères-tours magnétisants. L’interrupteur étant bloqué, la topologie du circuit impose une continuité du courant magnétisant à travers la diode Dm, permettant ainsi la récupération de l’énergie stockée dans le circuit magnétique par la source de tension. En effet, la diode D interdit une démagnétisation par le secondaire.
Le nombre de spires de l’enroulement de démagnétisation étant le même que celui de l’enroulement 1, la durée de démagnétisation est égale au temps de conduction de l’interrupteur (i.e. la démagnétisation prend fin pour = 2 ).
La continuité du courant dans l’inductance du filtre est assurée par la présence de la diode de roue libre Drl qui devient passante. 11 = −+(2.5)
On peut calculer rapidement la valeur de la tension de sortie Vs en fonction de n1, n2,et Ve (Eq.1.6) si l’on se base sur le fait que la valeur moyenne de la tension aux bornes de l’inductance de lissage, en régime permanent, est nulle. Les formes d’ondes sont données par la Fig.2.7.
Les principales technologies de fabrication
On a vu précédemment que plusieurs paramètres du condensateur dépendent de la technologie de fabrication, plus précisément, ces paramètres dépendent de la nature du diélectrique utilisé.
Diélectriques plastiques :
Les armatures sont constituées par deux feuilles d’étain ou d’aluminium dont l’épaisseur est déterminée en fonction du courant traversant. Les diélectriques composites associent des films de nature différente dont les caractéristiques spécifiques se complètent.
Les condensateurs films possèdent d’excellentes propriétés électriques, notamment, une bonne tenue en tension et en fréquence. Les pertes diélectriques à fréquence élevée sont faibles. De plus, la qualité des films plastiques permet de les utiliser en faible épaisseur. Finalement, il est possible d’obtenir des résistances d’isolement très élevées et constantes dans une vaste gamme de température d’utilisation.
Diélectriques chimiques :
Les deux armatures en aluminium pur (à 99.99%) du condensateur sont placées dans une solution électrolytique.
Lorsqu’on applique une tension, une couche d’alumine isolant de très faible épaisseur se forme. D’où la possibilité de fortes capacités. Le condensateur est polarisé, les électrodes ne jouant pas le même rôle dans l’électrolyse.
Il existe deux types d’électrolytes :
– Aluminium : les constructeurs, de nos jours, conçoivent deux grandes familles de ces condensateurs : les condensateurs dits classiques et ceux dits à faible résistance série. Ces derniers ont une meilleure tenue en fréquences et leurs pertes joules sont plus faibles.
– Tantales : le métal de base est une poudre de Tantale de très fine granulométrie. Les anodes sont obtenues par compression dans des modules dont la forme la plus usuelle est cylindrique. Le corps poreux ainsi réalisé présente une grande surface par unité de volume. Ces condensateurs présentent particulièrement une très bonne tenue en fréquence
Les condensateurs dans les alimentations à découpage
Les condensateurs utilisés dans les alimentations à découpage auront à remplir deux rôles distincts. Tout d’abord, ils servent à stocker l’énergie lors des variations de commande ou de charge. Ensuite, ils vont aussi servir de condensateur de découplage ou de filtrage vis-à-vis du fonctionnement haute fréquence de l’alimentation. C’est pourquoi, certains constructeurs ont développé une gamme de condensateurs spécifique pour les alimentations à découpage : les condensateurs chimiques à faible résistance série et inductance série (Equivalent Series Resistance ou ESR et Equivalent Series Inductance ou ESL). Ces condensateurs présentent des valeurs de capacité importantes, tout en présentant une excellente tenue en fréquence. Si toutefois, les performances de ces condensateurs se trouvaient insuffisantes, il serait possible d’associer deux condensateurs de technologies différentes.
Les matériaux magnétiques
Les matériaux
Les matériaux utilisés en électrotechnique et en électronique de puissance sont principalement :
– L’air, réservé au domaine des très hautes fréquences et des faibles puissances
– Les tôles de fer magnétique, laminées et assemblées pour constituer des circuits magnétiques, utilisées aux fréquences dites industrielles (16.66, 50, 60 et 400 Hz)
– Les ferrites, céramiques magnétiques moulées selon la forme désirée, utilisées en électronique de puissance à haute fréquence.
Grandeurs caractéristiques des circuits magnétiques
La caractéristique magnétique :
Un matériau magnétique est défini par sa caractéristique = ( ) (induction magnétique en fonction du champ magnétique), sa courbe de première aimantation et ses différents cycles d’hystérésis (induction magnétique en fonction de la fréquence).
Les pertes magnétiques :
Un matériau ferromagnétique soumis à un champ magnétique variable est source de pertes ayant deux origines :
– Les pertes par courant de Foucault : le matériau est soumis à un champ magnétique variable. Il apparaît alors dans ce matériau des tensions induites, entrainant des courants induits, et donc des pertes joules. Ces pertes sont données par l’Eq.2.12 où représente l’induction maximale, la section du circuit magnétique, la fréquence de fonctionnement et la résistivité du matériau. ( )2 = ∗ (2.12)
– Les pertes hystérétiques : elles sont dues à l’énergie mise en jeu pour parcourir le cycle d’hystérésis. Leur expression est donnée par l’Eq.2.13 où représente la fréquence, le volume du circuit magnétique et l’aire du cycle d’hystérésis du matériau. ℎ = (2.13)
Les matériaux magnétiques dans les alimentations à découpage
Les alimentations à découpage fonctionnant en haute fréquence, il est impossible d’utiliser des tôles pour la réalisation des composants magnétiques, cela causerait des pertes trop importantes. Les fabricants utilisent donc des ferrites, mieux adaptés au fonctionnement en haute fréquence. Ce sont des céramiques à haute résistivité (de l’ordre de 102 à 108 Ω ), donc présentant des pertes par courant de Foucault particulièrement faible, de plus, ils sont à haute perméabilité. Leur fabrication par moulage permet de réaliser toutes formes de géométrie, permettant de réaliser une grande variété de circuits magnétiques.
L’induction de saturation des ferrites est de l’ordre de 0.4 à 0.5 T. Pour éviter d’entrer en saturation, on choisit = 0.3 .
Mais en plus du circuit magnétique, un composant magnétique est aussi constitué de plusieurs bobinages. Si le courant traversant les bobinages constituants des inductances ou des transformateurs haute fréquence est alternatif, les électrons auront tendance à se répartir à la périphérie du conducteur, dans une zone caractérisée par son épaisseur, comme le montre la Fig.2.12, que l’on appelle épaisseur de peau.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1 : PERFORMANCES DES AMPLIFICATEURS AUDIO
1.1. Notions de psychoacoustique
1.2. Mesure de la qualité audio
1.2.1. Plage dynamique
1.2.2. Taux de distorsion harmonique
1.2.3. Rapport signal à bruit
1.2.4. Taux de réjection des bruits d’alimentation
1.3. Paramètres clés des amplificateurs de puissance
1.3.1. Formules de gain
1.3.2. Rendement
1.4. Les différentes classes d’amplificateurs de puissances
1.4.1. La Classe A
1.4.2. La Classe B
1.4.3. La classe AB
1.4.4. La classe D
1.4.5. La classe G
1.4.6. La classe H
Chapitre 2 : L’ALIMENTATION
2.1. Alimentation à découpage : Justification du choix
2.1.1. Formule de Boucherot
2.1.2. Régulation de la tension de sortie
2.2. Principe de fonctionnement des alimentations à découpage
2.2.1. Alimentation à découpage à stockage inductif : Flyback
a. Principe et fonctionnement
b. Etude des formes d’ondes
c. Avantages et inconvénients
2.2.2. Alimentation à découpage à conduction directe : Forward
a. Principe et fonctionnement
b. Etude des formes d’ondes
c. Avantages et inconvénients
2.2.3. Alimentation à découpage symétrique : Push-Pull
a. Principe
b. Etude des formes d’ondes
2.3. Les composants passifs d’une alimentation à découpage
2.3.1. Les condensateurs
a. Phénomène
b. Paramètres caractéristiques d’un condensateur
c. Les principales technologies de fabrication
d. Les condensateurs dans les alimentations à découpage
2.3.2. Les matériaux magnétiques
a. Les matériaux
b. Grandeurs caractéristiques des circuits magnétiques
c. Les matériaux magnétiques dans les alimentations à découpage
2.4. La compatibilité électromagnétique
2.4.1. Notion de sources et de victimes
2.4.2. Les différents modes de couplage des perturbations électromagnétiques
a. Le couplage par impédance commune
b. Le couplage électrique
c. Le couplage magnétique
Chapitre 3 : L’AMPLIFICATEUR DE CLASSE D
3.1. La modulation de largeur d’impulsion
3.1.1. La PWM « intersective »
a. Modulation centrée : Double-Sided Modulation
b. Modulation du début d’impulsion : Leading Edge Modulation
c. Modulation de la fin d’impulsion : Trailing Edge Modulation
3.1.2. La PWM pré-calculée
3.1.3. Fréquence de la PWM : Théorème de Shannon
3.2. L’amplificateur classe D
3.2.1. Historique
3.2.2. Principe de base des amplificateurs de classe D
3.2.3. Architecture en Full-Bridge
3.2.4. Principales sources de dégradation du signal de sortie
3.2.5. Architecture sans filtre LC de sortie
3.2.6. Réduction des EMI par la méthode d’élargissement de spectre
3.2.7. Ajout d’un feedback
Chapitre 4 : ETUDE, SIMULATION ET REALISATION DU SYSTEME
4.1. Conception de l’alimentation
4.1.1. Cahier de charges
4.1.2. Filtres EMI
4.1.3. Oscillateur de l’alimentation à découpage
4.1.4. Topologie, commande des transistors
4.1.5. Simulation
4.1.6. Réalisation pratique et mesures
4.2. Conception de l’amplificateur
4.2.1. Etage de la PWM
4.2.2. Etage de puissance
a. Translateur de niveau
b. Commande des transistors
4.2.3. Etage de sortie
4.2.4. Simulation
4.2.5. Comportement de l’amplificateur sous des interférences externes
4.2.6. Réalisation pratique
CONCLUSION
Annexe 1 : LE BRUIT DANS LES SYSTEMES ELECTRONIQUES
ANNEXE 2 : DATASHEET DU IR2110
REFERENCES
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