Structure buck

[johndeuf82]

Bonjour, je suis étudiant en électronique, nous avons abordé en électronique de puissance les conversions de tension DC/DC, avec comme problème étudié la conversion d'une tension continue +15V en tension continue +5V. L'idée de départ est d'utiliser un pont diviseur de tension: on a une source de tension de 15V délivrant un courant de 1A, deux résistances en série R et 2R, on mesure la tension aux bornes de R: on a bien 5V. Cependant cette solution est non-optimale puisqu'on a une chute de 10V aux bornes de la résistance 2R qui ne nous sert à rien, soit une perte de 10W:

Nous est alors présenté la structure BULK où l'on place un transistor MOS dont la grille est alimentée par un PWM, ici de rapport 1/3, une diode de roue libre pour quand le transistor est bloquant et un filtre LC pour avoir une tension continue aux bornes de notre charge. Seulement voilà: dans cette structure, on a une puissance de 15W et un transistor MOS se comportant comme un interrupteur ouvert les 2/3 du temps: soit une puissance de 15 W inutile les 2/3 du temps.

Quel est l'intérêt de cette structure par rapport à un simple pont diviseur ? D'un côté on a une perte de 10W, de l'autre une perte de 15W les 2/3 du temps ? ça ne revient pas grosso modo au même ?

Merci de vos réponses
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[Murayama]

Bonjour!


Il y a plus de choses à considérer.
D'abord, Bulk, soit vous vous êtes trompé, soit ça ne veut rien dire du tout.
On peut traduire bulk par vrac. Mais cela peut aussi signifier gros, dans les 2 sens
du terme (vente en gros, et gros au sens de la taille qui se retrouve dans l'adjectif
bulky).
Gotvermiljaardevlammstudju! Je viens de comprendre: c'est buck, pas bulk (j'ai cherché
bulk converter au cas où on m'aurait caché des choses, et j'ai trouvé buck converter)


1. Convertir une tension à partir de résistances n'a aucun sens excepté s'il s'agit
d'un signal faible. Exemple: mesurer une tension entre 0 et 15V avec un convertisseur
qui ne peut mesurer que 0~5V. Dans ce cas là, le pont diviseur prend tout son sens
puisque l'entrée du convertisseur ne prend aucun courant.


2. Alimenter quelque chose en 5V depuis 15V n'est possible que si la charge est
purement résistive. Et vous avez raison, dans ce cas là, on perd les 2/3 de la
puissance.


3. Le convertisseur buck: je vous laisse regarder à nouveau votre cours comme
expliqué par votre prof qui l'explique en quelques heures forcément mieux que je ne
pourrais le faire en 5 minutes.
Par contre:

un transistor MOS se comportant comme un interrupteur ouvert les 2/3 du temps: soit
une puissance de 15 W inutile les 2/3 du temps.

Quand l'interrupteur est ouvert, il n'y a pas de puissance consommée.
En fait ce qui se passe dans un buck, c'est qu'il y a un asservissement.
Si la tension baisse à la sortie, alors on va augmenter le rapport cyclique
de façon à rééquilibrer. Si vous branchez une résistance de 1 ohm à la sortie
réglée sur 5V avec le pont de résistances, alors vous aurez 5W et un rapport
cyclique de 1/3. Et en négligeant les différentes pertes, vous ne consommerez
que ce qui se passe dans la résistance, c'est à dire 5W, et rien du tout
quand l'"interrupteur" est ouvert. Vous aurez bien 15W de puissance possible
qui se répartit en 5W utilisés et 10 W disponibles mais non utilisés donc
non-consommés.
Maintenant, si vous mettez une 2ème résistance en parallèle, la tension de
sortie va instantanément s'écrouler. L'asservissement va s'en apercevoir et
augmenter le rapport cyclique jusqu'à ce que la tension de sortie soit à nouveau
à 5V. Et là, vous aurez toujours 15 de puissance possible, mais 10 W utilisés
et 5W disponibles. Et le rapport cyclique sera alors 2/3.


Pascal

[gcortex]

Bonjour, Si la charge est suffisante (régime continu), je pense qu'on a même pas besoin de régulation.
Je confirme : la commutation c'est soit I = 0 soit V = 0 donc P = 0 (pertes négligeables).

[f6bes]

on a une source de tension de 15V délivrant un courant de 1A, deux résistances en série R et 2R, on mesure la tension aux bornes de R: on a bien 5V. Cependant cette solution est non-optimale puisqu'on a une chute de 10V aux bornes de la résistance 2R qui ne nous sert à rien, soit une perte de 10W:

Bjr à toi, Ben ça veut dire que ta deuxiéme solution n ( si tel est le cas) n'est pas bonne non plus !!
D'autres part , la premiére solution (couteuse en énergie) n'est valable QUE si la consommation (1 A) est constante.
Si cette consommation varie, bien entendu la tension va varier....aussi. Fait un donc un petit calcul avec différentes
consommation.
Tu va t'aperçevoir que tu n'as plus tes....5 volts.
La deuxiéme solution passe par des alimentation à découpage avec des rendement (facilement) de 90 %.
Suffit de regarder les alimentations de nos différents équipements domestiques.
Bonne journée

[A voir en vidéo sur Futura]

[DAT44]

Bonjour,
un consommation de 15W sur 1/3 du temps donne une conso moyenne de 5W ...
Donc le buck est beaucoup mieux (perte très faible) ...

[jiherve]

bonjour
à lire le premier message je ne suis pas sur que la self soit au bon endroit!
JR

[johndeuf82]

Re bonjour et merci à tous pour vos réponses

En ce qui concerne le pont diviseur, je vois intuitivement en quoi la solution n'est pas optimale, perdre les 2/3 de la puissance paraît assez pénible mais sur le papier ça fonctionne ? On utilise bien des résistances en série de LED pour provoquer des chutes de tension ?

Si j'ai bien compris, dans la configuration décrite, dans un pont diviseur, on a purement et simplement une perte de 10W là où dans la structure Buck (et non Bulk, c'était bien une erreur de ma part), seul 5W sont utilisés mais les 10W restant ne sont pas perdus: on pourrait par exemple placer un autre transistor MOS en parallèle du premier et alimenter sa grille avec un signal PWM complémentaire au premier afin d'utiliser les 10W restant (pour une autre charge) ?

On a également plus de contrôle sur la conversion de tension grâce au signal PWM de commande

Bonne journée !

[Piefra]

Bjr,

Pas besoin de rajouter de la gestion si il y a un asservicement a la tension de sortie

Relisez bien le #2

C'est la charge qui controle le systeme

Vous pouvez par contre modifier le systeme d'asservicement pour faire varier la tension de consigne ( alim variable )

Cdlt

[f6bes]

remoi,
hum faut pas mélanger une consommation de 1000 mA et celle d'une led (15/20ma) !! (... On utilise bien des résistances en série de LED pour provoquer des chutes de tension ?..)Bonne soirée

[Antoane]

Bonsoir,

On considère ici une source de tension (par exemple une batterie, ou une alimentation de PC, etc.) 15 V - 1 A, c'est à dire une source qui délivrera une tension constante de 15 V, et un courant maximum de 1 A. En pratique, le courant s'ajustera à la charge (ie le truc alimenté). Si on ne branche qu'une résistance de 1 kOhm sur la sortie de l'alimentation, alors le courant délivré par celle-ci sera de I=U/R = 15V / 1kOhm = 15 mA, et la puissance onsommé sera de P=U*I=U²/R = 15V * 15mA = 225mW. Si on ne branche qu'une résistance de 20 Ohm sur la sortie de l'alimentation, alors le courant délivré par celle-ci sera de I=U/R = 15V / 20Ohm = 750 mA, et la puissance onsommé sera de P=U*I=U²/R = 15V * 750mA = 11.25W. Si on branche ne branch qu'une résistance de 1 Ohm sur la sortie de l'alimentation, alors le courant délivré par celle-ci devrait être de I=U/R = 15V / 1Ohm = 15 A, mais comme cette valeur est supérieure à la limite de 1 A, on ne peut pas dire ce qui se passera (mais cela risque d'endomager la source).

Dans tous les cas 1 A est le courant disponible en sortie, de même que 15 W est la puissance disponible en sortie de l'alimentation. Cependant, on ne paye (eg. à EDF) pas ces 15W, mais seulement la puissance consommée (225 mW dans le premier exeple, 11.25W dans le second).


Il y a plusieurs méthodes pour réduire une tension servant à alimenter un circuit, en voici trois :
La source de tension Vk représente l'alimentation, la résistance Rldk la charge, i.e. le composant alimenté. Voutk est la tension de sortie du montage.
Appelons V° la tension sous laquelle on souhaite alimenter la charge, et I_out le courant consommé par celle-ci.



Résistance chutrice
Il s'agit du premier schéma, celui de gauche. Connaissant la consommation I_out de la charge, on peut calculer la valeur de R1 pour que la tension à ses bornes ait "la bonne valeur", à savoir: (V1-V°). On en déduit R1 = (V1-V°)/I_out.
Ce montage est en particulier utilisé pour alimenter les leds, ou tout circuit dont la consommation est fixe... en effet, Vout1 va fortement dépendre de I_out : Vout1 = V1 - R1 * I_out . Ce circuit n'est donc pas adapté aux charges dont le courant varie.
La puissance consommée sur l'alimentation vaut Pin1 = V1 * I_out , et la puissance en sortie vaudra Pout1 = Vout1 * I_out . Avec Vout1 = 5V et I_out =1A, on a : Pin1 = 15W, Pout1 = 5W... 66% de la puissance consommée (i.e. de ce qu'on paye) est perdu.


Pont diviseur
Il s'agit du second schéma. L'intérêt de ce montage est de diminuer l'impact de Rld sur Vout, mais cela se fait au prix d'une puissance perdue plus importante. Typiquement, on va s'arranger pour laisser circuler dans R3 un courant de l'ordre de 5*I_out à 10*I_out.
Supponat que celui-ci vaut 5*I_out, le courant consommé sur l'alimentation vaut alors 6*I_out.
La puissance consommée sur l'alimentation vaut Pin2 = V1 * 6*I_out, et la puissance en sortie vaudra Pout2 = Vout2 * I_out. Avec Vout2 = 5V et I_out =100 mA, on a : Pin2 = 15V*600mA = 9W, Pout1 = 0.5W... 94% de la puissance consommée (i.e. de ce qu'on paye) est perdu.
En revanche, la tension de sorie dépend beaucoup moins de I_out ... de l'ordre de 20% entre I_out =0 et sa valeur max ayant servie à dimensionner R2 et R3.
Ce montage est donc utilisé lorsque en particulier utilisé lorsque I_out est très faible et que le rendement, i.e. les pertes, ne sont pas un soucis majeur.


Convertisseur buck
Il s'agit du 3e schéma. L'intérêt de ce montage est de diminuer les pertes et l'impact de Rld sur Vout, mais cela se fait au prix d'une complexité accrue. Théoriquement, tant que le courant de sortie est supéireur à environ 10 à 20 % de sa valeur max, le circuit fonctionne en conduction continue et la tension de sortie est indépendante de I_out. Par ailleurs, ce circuit est théorquement réalisable sans perte de puissance. En pratique, on pert entre environ 2 et 20% de la puissance transférée en sortie, suivant les tensions et courants en jeu -- ainsi que le design. Cela se traduit également par une lègère dépendance de la tension de sortie avec la courant délivrée, qui est généralement compensée par un circuit de régulation que va continuellement ajuster le raport cyclique pour maintenir Vout3 constante.
Ce montage et ses dérivés sont utilisés partout : variateur de moteur électrique, connection d'une éolienne ou d'une centrale PV au réseau, il y en a plus d'une dizaine dans un PC, etc.
Comme expliqué plus haut, le principe est le suivant (supposant Vin3=15 V et Vout3 = 5V, et I_out3 = 1 A) :
- pendant 33% du temps, le MOSFET est passant, et une puissance égale à Vin3*I_out = 15 W est consommée sur la source. De ces 15 W, Vout3*I_out = 5W sont directement transmis à la charge, tandis que les 10 W restant sont stockés dans la bobine et le condensateur
- pendant 67% du temps, le MOSFET est blocké, et une puissance nulle est consommée sur la source. Cependant, une puissance Vout3*I_out = 5 W est extraite de la bobine et du condensateur pour alimenter la charge.
Ainsi, la charge recoit toujours 5 W et la source délivre une puissance moyenne égale à 15*(33%) = 5W... Il n'y a donc pas de perte.


Régulateur linéaire
Il s'agit d'un circuit similaire au premier schéma, mais la résistance R1 est remplacée par un composant électronique qui va automatiquement ajuster sa valeur pour maintenir la tension de sortie à la bonne valeur V°, indépendamment de I_out.
La puissance consommée sur l'alimentation vaut Pin1 = V1 * I_out , et la puissance en sortie vaudra Pout1 = Vout1 * I_out . Avec Vout1 = 5V et I_out =1A, on a : Pin1 = 15W, Pout1 = 5W... 66% de la puissance consommée (i.e. de ce qu'on paye) est perdue. Cette technologie a l'avantage de la simplicité, mais elle reste fortement dissipative.