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Convertisseurs de tension DC-DC


 Article tiré de la revue Electronique Pratique Mai 1997 n°214 page 105. Auteur : Inconnu

Sommaire :

Transformation d'énergie
Abaissement de la tension
Courant consommé sous Vs constant
Courant Is consommé variable
Inversion de signe
Doubleur de tension
Encore plus que le doubleur
Symétriseur de tension
Conclusion



  
Transformation d'énergie :

      D'un point de vue général, tout dispositif qui modifie les caractéristiques d'une source d'énergie s'appelle un convertisseur. Ces différentes conversions peuvent concerner l'amplitude, la forme et la fréquence des grandeurs tension et courant. Les principales conversions que l'électronicien peut rencontrer sont schématisées par le diagramme de la figure 1. En partant d'une énergie de forme alternative (AC pour alternative curent), on peut transformer celle-ci encore en alternatif ou bien en continu (DC pour direct curent). Le passage AC-AC nécessite un transformateur (si la fréquence reste constante) alors que le passage AC-DC nécessite un redresseur, commandé ou non, ou une pompe de charge.

Figure 1

    La conversion AC-AC avec modification de fréquence, passe le plus souvent par une étape intermédiaire AC-DC suivie d'une conversion DC-AC dans laquelle le système mis en oeuvre est un onduleur. Le dernier type de conversion représenté est la conversion DC-DC. Celle-ci peut être directe, ou se faire en 2 temps : une conversion DC-AC pour commencer, suivie d'une conversion AC-DC.
     Parmi ces différentes conversions, certaines comme la conversion AC-AC par transformateur sans changement de fréquence, ou encore la conversion
AC-DC par redressement sont déjà bien connues de nos lecteurs et ne seront donc pas étudiées. C'est donc essentiellement à la conversion DC-DC que nous allons nous intéresser, mais comme ce domaine est encore très vaste, nous ferons quelques restrictions en considérant que le montage qui nécessite une alimentation différente de celle dont on dispose est peu gourmand. Pour être plus précis, l'alimentation que nous appellerons secondaire ne devra consommer que quelques milliampères à quelques dizaines de milliampères.      Cette restriction peut sembler à priori trop restrictive et rendre la solution proposée inintéressante mais l'expérience montre que c'est souvent à ce genre de situation que l'on est confronté d'où l'intérêt des solutions proposées. Dans la suite de cet exposé, nous appellerons Vp la tension d'alimentation principale, et Vs la tension d'alimentation secondaire que l'on souhaite obtenir.



  
Abaissement de la tension :

         Courant consommé sous VS constant :

    Dans cette situation, une simple résistance R montée comme l'indique la figure 2 permet de résoudre le problème. Pour calculer celle-ci, il faut connaître la valeur du courant Is absorbe par le montage qui nécessite la tension secondaire Vs et appliquer la loi d'ohm: R = (Vp-Vs) /Is. En supposant par exemple que Vp =12V,Vs=6V et ls=10mA on obtient R = 600 ohms.


Figure 2

   Si une légère surtension n'est pas dangereuse pour les composants on prendra une résistance de valeur normalisée 560 ohms ce qui donne Vs = 6,4V, sinon, on prendra R = 680 ohms soit Vs = 5,2V. Si la valeur 6V est vraiment critique on pourra réaliser la résistance de 600 ohms en plaçant 2 résistances de 1200 ohms en parallèle. La puissance que doit supporter la résistance R correspond à la formule P = (Vp-Vs) . I qui donne dans notre cas P = 6 x 0,01 = 0,06W = 60mW. Un modèle 1/4W fera par conséquent très bien l'affaire. Enfin, pour éviter que ce montage n'entre en oscillation, on placera un condensateur de découplage dont la capacité C pourra varier de quelques centaines de nanofarads à quelques centaines de microfarads, suivant que la fréquence de travail sera élevée ou faible. La solution "résistance chutrice" n'est envisageable que si le courant Is consommé par le montage secondaire reste constant. Dans le cas contraire, la chute de tension dans R change de valeur au rythme des variations du courant Is puisque Vs = (Vp-R) . Is en fait de même, ce qui conduit le montage à "pomper".



         Courant Is consommé variable :

    Dans ce cas, la solution consiste à utiliser un régulateur de tension intégré délivrant la tension Vs souhaitée (figure 3a).


Figure 3a 

   Deux condensateurs de découplages C1 et C2 évitent l'entrée en oscillation du régulateur. Pour des consommations faibles, des modèles de type 78Lxx pour des tensions positives ou 79Lxx pour les négatives font très bien l'affaire. Si l'on ne trouve pas le régulateur approprié à la tension souhaitée, on peut toujours rehausser la valeur indiquée en interposant une ou plusieurs diodes en série dans la connexion de masse (figure 3b), ou utiliser un diviseur résistif (figure 3c) dont les éléments R1, R2 vérifient la formule R1 = (Vs-Vref) / (Ipol + I2) avec I2 = Vref / R2. Pour un 78L05, Ipol est proche de 2mA. Pour arriver à Vs = 6V, en partant de R2 = 4,7kohms (soit I2=1 mA) la formule donne R1=(6-5) / 0,003 = 330 ohms.


Figure 3b

 
Figure 3c 



  
Inversion de signe :

      Le problème du changement de signe se pose quand un montage nécessite une tension d'alimentation négative (présence d'un AOP) et que l'on ne peut pas ajouter une seconde pile (pour des raisons de place) à la source positive déjà existante. Le montage de la figure 4 permet de résoudre ce problème avec fort peu de composants donc en occupant une place réduite.


Figure 4 

    Le circuit intégré 555 fonctionne en mode astable. II produit un signal carré de fréquence F qui alimente les éléments C1, C2, D1, D2. Ce type de redresseur particulier est appelé "Pompe de charge". Dans la mesure du possible, surtout si le montage global est un amplificateur audio, on prendra pour F une valeur supérieure à la limite supérieure de la bande passante du montage. Sans cette précaution élémentaire, on risque de retrouver dans le spectre du signal de sortie une composante (présence d'un sifflement) de fréquence égale à F.

     Les chronogrammes de la figure 5b et les schémas équivalents de la figure 5a montrent comment s'opère la conversion AC-DC après une mise sous tension. Pour simplifier les explications, les diodes ont été remplacées par des interrupteurs fermés ou ouverts suivant qu'elles sont passantes ou bloquées. Pour les mêmes raisons, nous avons supposé que les temps de charge ou de décharge des condensateurs étaient négligeables.


Figure 5b 

 


Figure 5a 


    De l'instant
0 à t1, C1 se charge positivement à travers D1, ce qui donne U1 = Vp. Dans cet intervalle D2 est bloquée. Entre t1 et T, la tension de sortie du 555 (pin 3) retourne à zéro, l'armature positive de C1 se trouve reliée à la masse, c'est une tension négative qui est connectée sur la cathode de D2 qui devient passante. Une partie des charges accumulées par C1 est transférée dans C2. La tension U2 devient négative. Si le montage ne débite aucun courant I, et si les 2 condensateurs ont la même capacité C, on obtient à l'équilibre, U2 = -U1/2 = -0,5Vp. Au cours de la période suivante, de T à T + t1 = t2, C1 se recharge sous Vp, et un nouveau transfert de charges s'opère de C1 vers C2 entre t2 et 2T, qui conduit à U2 = -0,75Vp. En poursuivant ce raisonnement, on voit qu'à vide, la tension U2 c'est à dire Vs tend très rapidement vers Vp. Ce processus de transfert de charges de C1 vers C2 ressemble au remplissage d'un réservoir par une pompe d'où sa dénomination. En pratique, les tensions de seuil des diodes limitent Vs à Vs = -Vp + 1,4. En charge, c'est à dire lorsqu'on fait débiter un courant I à cette source négative, la tension U2 baisse encore plus (tension de seuil des diodes D1 et D2, chutes de tension dans leurs résistances internes ainsi que dans celle du transistor de sortie du 555 etc.).

     Si le courant I reste inférieur à une dizaine de milliampères, on peut récupérer environ 5 ou 6V (négatifs) à partir d'une pile de 9V ce qui est suffisant pour alimenter plusieurs AOP (à 20mA on ne récupère plus que 3,5V avec les capacités préconisées). En ce qui concerne ces dernières, plus leur capacité sera importante, plus faible sera l'ondulation de la tension aux bornes de C2, dont l'amplitude croît quand le courant débité augmente. Les mesures faites avec C = 470nF et C = 10µF donnent respectivement une ondulation crête à crête de 1V et de 50mV pour un même courant débité de 10mA. Ces remarques pourront guider le lecteur dans le choix des condensateurs en fonction des applications.

    Remarque :  Le circuit intégré 555 n'est pas le seul à pouvoir participer à ce type de conversion. En pratique, tout circuit capable d'absorber et de fournir un courant sur sa sortie tout en générant des signaux carrés peut convenir. On peut par conséquent utiliser des oscillateurs à base de portes logiques CMOS, surtout s'il reste des éléments non utilisés dans un boîtier prévu pour une autre fonction du montage. Dans ce cas, il est souhaitable de mettre une porte en tampon entre l'oscillateur et le redresseur comme le montre la figure 6a dans laquelle le circuit utilisé est un 4093 qui comporte 4 portes NAND à 2 entrées (triggées). Sans étage tampon, la fréquence d'oscillation risque de varier au rythme du courant débité, l'oscillateur pouvant même décrocher dans certains cas. Avec un 4011 (4 NAND non triggés) ou un 4049 (qui contient 6 inverseurs), l'oscillateur nécessite 2 portes, plus une en tampon, soit 3 au total (figure 6b).

Figure 6a

 


Figure 6b 


     Si d'autres portes logiques sont disponibles, on aura tout intérêt à les connecter en parallèle au niveau de l'étage tampon afin d'augmenter le courant disponible en sortie.
    Par contre, si le nombre de portes logiques nécessaires à la réalisation du convertisseur est insuffisant, il faut rajouter un boîtier au montage. Dans ce cas, il est de loin préférable de choisir la solution à base de
555 car le courant disponible est supérieur à celui que donnerait une version à base de portes logiques.
    Ces mêmes étages oscillateurs pourront être utilisés pour les applications suivantes.



  
Doubleur de tension :

     Le montage que nous présentons maintenant à la figure 7a n'inverse pas le signe de la tension d'alimentation principale Vp, mais il en augmente l'amplitude. A vide celle-ci est pratiquement égale au double de Vp (d'ou son nom). Ce montage constitue une excellente solution lorsqu'on veut alimenter des diodes varicaps dont la tension d'alimentation atteint (ou dépasse) 25V tout en consommant peu puisqu'on les polarise en inverse. Comme pour son prédécesseur, on utilise une pompe de charge qui ressemble à s'y méprendre à la précédente.


Figure 7a 

     On fera toutefois attention au fait que la polarité des condensateurs et des diodes est exactement inversée par rapport au montage précédent et qu'en plus D1, est cette fois reliée au pôle positif de l'alimentation et non à la masse. Le processus qui conduit au doublement de Vp est le suivant.

     Après une mise sous tension, et en supposant que la sortie A de l'oscillateur soit à l'état bas, les condensateurs C1 et C2 se chargent à travers les diodes D1, et D2. A l'instant t1, quand la sortie de l'étage oscillateur (ou plus exactement du tampon) passe à l'état haut, la tension Vb (=VA + uc1) devient égale à 2Vp. La diode D1 se trouve alors polarisée en inverse et se bloque. Pour D2, c'est le contraire puisque son anode est au potentiel 2Vp et que sa cathode n'est qu'à Vp ce qui la rend passante.

     Un transfert de charges s'opère alors entre C1, et C2 et la tension U2 monte à 1,5Vp si aucun courant n'est consommé et que les 2 condensateurs C1 et C2 ont la même capacité. Au bout d'une période T, le potentiel du point A repasse à zéro. D2 se trouve alors polarisée en inverse et se bloque (cathode à 1,5Vp et anode à Vp par D1). C1 se charge à nouveau sous Vp à travers D1. Quand A repasse à Vp à l'instant t1 + T, on retrouve à nouveau Vb = 2Vp. D1 se bloque et D2 se débloque. Une partie des charges accumulées par C1 passe dans C2 comme précédemment et U2 monte à 1,75Vp.

     Au bout de quelques périodes on obtient quasiment U2 = 2Vp (figure 7b). Quand un courant I est débité, les recharges successives de C1 compensent les pertes de C2.

Figure 7b

    Comme pour le montage inverseur, les diodes occasionnent des chutes de tension et la tension Vs n'atteint jamais 2Vp (Vsmax = 2Vp - 1,4 à vide). Si en plus, on place une charge absorbant un courant I en parallèle sur C2, la tension Vs diminue encore, en restant toutefois supérieure à Vp si le courant I n'est pas trop important. Pour un courant I de 20mA on dispose encore de 13,5V pour une alimentation de 9V.

 


  
Encore plus que le doubleur :

      Avec le montage de la figure 8a, on récupère à vide, entre la masse et le point E, une tension de valeur moyenne 4,5Vp. L'association des 4 condensateurs et des 4 diodes (encore une pompe de charge) forme un étage quadrupleur de tension qui est alimenté à partir de la tension prélevée entre l'entrée et la sortie de la porte inverseuse IC1d.

     Grâce à cette disposition, la tension (V3-V2) évolue entre +/-Vp alors que dans les montages précédents, l'alimentation des pompes de charge se faisait entre les niveaux 0 et +Vp. En analysant le fonctionnement de ce montage comme nous l'avons fait pour les précédents, on s'aperçoit qu'en régime permanent à vide, C1 se charge sous la tension Vp alors que C2, C3, C4 se chargent à 2 Vp. La tension au point E a par conséquent la forme présentée figure 8b puisque V2 continue d'osciller entre 0 et Vp. La valeur moyenne de Vp est de 4,5Vp si le signal V2 présente un rapport cyclique égal à 0,5. Pour filtrer les ondulations de VE, on rajoute la diode D5 et le condensateur C5, aux bornes duquel la tension est parfaitement continue. Avec une pile de 9V, on récupère 40V à vide. Pour Is = 1 mA Vs passe à 30V et à 24V pour 1,5mA. En augmentant la valeur des capacités de la pompe de charge de 100nF à 1µF on peut réduire l'ondulation de Vs mais cela n'augmente pas la valeur du courant disponible.


Figure 8b 

     Pour un courant donné, on peut gagner quelques volts en plaçant une deuxième porte inverseuse en parallèle sur IC1c, et ICld. Ce type d'alimentation doit donc être réservé aux applications peu gourmandes.

     A noter qu'en cascadant d'autres cellules cela permet d'aboutir à des tensions encore plus grandes, 6 Vp, 8 Vp, etc… En inversant le sens des diodes (et des condensateurs s’ils sont polarisés), la tension VE sera négative par rapport à la masse.

 


  
Symétriseur de tension :

      Ce dernier montage est utile lorsqu'on souhaite alimenter des étages à AOP qui demandent, comme chacun le sait, des tensions d'alimentation symétriques. Ceci n'est peut être plus tout à fait vrai pour longtemps, car les fabricants commencent à concevoir des AOP dans le boîtier desquels une pompe de charge intégrée produit la tension d'alimentation négative.

     Comme ces produits nouveaux ne sont pas légion, le montage de la figure 9 a encore de beaux jours devant lui. Par rapport au potentiel qui existe au point de jonction "A" des 2 résistances R (valeur comprise entre 10 et 100k ohms), les 2 pôles de l'alimentation principale sont respectivement à +Vp/2 et -Vp/2.

Figure 9

    En prenant le point A comme référence des potentiels, on dispose de 2 tensions d'alimentation symétriques. Pour en abaisser la résistance interne, on connecte au point A un AOP monté en suiveur (amplification = 1) à la sortie duquel on retrouve la même tension qu'au point A. C'est la sortie de l'AOP qui devient la masse du montage. Un condensateur de 100nF placé entre cette masse et chaque demi alimentation en assure le découplage.

 


  
Conclusion :

      Les solutions évoquées ont toutes été testées et utilisées par l'auteur dans différentes réalisations. Comme elles ne font appel qu'à des composants classiques, parfois même disponibles dans le montage lui-même (portes logiques inutilisées).
     Il sera souvent plus simple de les mettre en oeuvre plutôt que de chercher un circuit intégré spécialisé (il en existe) dont on ne connaît pas forcément le mode d'utilisation et qui nécessite parfois une inductance.

 

 Article tiré de la revue Electronique Pratique Mai 1997 n°214 page 105. Auteur : Inconnu.

 


 


 

 

 


 


 


 



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