Dans les articles précédents, nous avons abordé les composants électroniques passifs comme les résistances, les condensateurs, les inductances et les transformateurs. Les composants passifs sont particulièrement utiles pour concevoir divers circuits analogiques.
Le véritable plaisir de l’électronique moderne commence avec les semi-conducteurs et l’électronique numérique. L’électronique est une affaire de signaux (sous forme de tension ou de courant) et de traitement des signaux par des composants et des circuits. L’électronique à semi-conducteurs est rendue possible par le traitement des signaux électroniques sous forme de valeurs binaires (0 et 1, ou Low et High). Cette application de l’électronique à semi-conducteurs au traitement des signaux sous forme de valeurs binaires conduit à la mise en œuvre de la logique booléenne sous la forme de l’électronique numérique. C’est ainsi qu’a commencé l’utilisation de l’électronique pour l’informatique. Bientôt, les ingénieurs et les chercheurs ont conçu des moyens de mesurer diverses quantités physiques en les convertissant en signaux électriques analogiques et en numérisant ces signaux analogiques en valeurs numériques. Ils ont également imaginé des moyens de convertir les signaux numériques en signaux électriques analogiques équivalents. Désormais, les ordinateurs peuvent également interagir et répondre au monde physique.
La majeure partie de l’électronique moderne concerne le « calcul électronique » et ses applications au monde réel. Le calcul électronique, combiné aux technologies d’affichage et aux dispositifs électroniques d’entrée/sortie conduit au développement d’ordinateurs à usage général. L’informatique électronique, combinée à diverses technologies de communication, conduit au développement des technologies de télécommunication, de télévision et d’Internet. L’informatique électronique, combinée à la communication sans fil et aux capteurs, conduit au développement de l’électronique mobile et des « wearables ». L’informatique électronique combinée avec des capteurs et des actionneurs conduit au développement d’applications telles que les systèmes embarqués, la robotique et l’automatisation.
Mais, avant de commencer le voyage sans fin de l’électronique semi-conductrice et numérique, il sera préférable d’avoir quelques notions de base sur les alimentations électriques. C’est l’alimentation qui donne vie à tout circuit ou dispositif électronique. Chaque circuit ou dispositif électronique a essentiellement besoin d’une section d’alimentation ou peut avoir besoin de se connecter en tant que charge avec un circuit d’alimentation externe.
La source d’énergie électrique peut être des lignes de transmission électrique (électricité du secteur), des systèmes électromécaniques (alternateurs et générateurs), l’énergie solaire ou des dispositifs de stockage comme les piles et les batteries. Les alimentations sont des convertisseurs de puissance qui convertissent l’énergie électrique d’une source en tension, courant et fréquence adaptés à un circuit de charge. La source d’énergie électrique peut être un courant alternatif ou continu. Comme les générateurs et le secteur, l’électricité fournit du courant alternatif, tandis que les piles et les dispositifs solaires fournissent du courant continu. Un circuit d’alimentation électrique peut entrer de l’énergie à partir d’une source de courant alternatif ou continu, et sortir une énergie alternative ou continue convertie pour convenir à une charge. Ainsi, les circuits d’alimentation peuvent être classés en alimentations AC vers AC, AC vers DC, DC vers DC et DC vers AC.
Les différentes alimentations AC vers AC comprennent les alimentations AC variables, les transformateurs d’isolement et les changeurs de fréquence. Les alimentations AC vers DC sont les plus courantes. Certaines des alimentations AC-à-CC comprennent l’alimentation linéaire non régulée en courant continu, l’alimentation linéaire régulée en courant continu (alimentation de banc), les alimentations régulées à découpage et l’alimentation régulée en ondulation. Les alimentations sur batterie, les alimentations solaires et les convertisseurs CC-CC sont des exemples d’alimentations CC-CC. Les alimentations à base de batteries et les alimentations solaires sont utilisées pour alimenter directement les circuits électroniques, tandis que les convertisseurs CC-CC sont généralement utilisés pour convertir le courant continu d’entrée à différents niveaux afin d’alimenter différents circuits dans le même dispositif plutôt que d’utiliser différentes alimentations CC-CA pour obtenir différents niveaux de tension/courant. Les onduleurs, les générateurs et les UPS sont des alimentations DC-to-AC couramment utilisées.
Les alimentations AC variables
Les alimentations AC variables sont conçues à l’aide de transformateurs ou d’autotransformateurs réglables. Ces derniers sont utilisés pour convertir les niveaux de tension de courant alternatif en courant alternatif. Un transformateur avec plusieurs enroulements ou prises peut être utilisé pour concevoir une telle alimentation sinon un autotransformateur réglable peut être utilisé. Ces alimentations convertissent les niveaux de tension et de courant alternatifs alors que la fréquence de l’alimentation source reste inchangée.
Changeurs de fréquence
Les changeurs de fréquence sont utilisés pour convertir la fréquence de l’alimentation alternative. Ils peuvent être conçus à l’aide de dispositifs électromécaniques comme un ensemble moteur-générateur ou à l’aide d’un ensemble redresseur-onduleur. Le redresseur convertit d’abord le courant alternatif en courant continu, puis l’onduleur reconvertit le courant continu en courant alternatif de différentes fréquences.
Transformateurs d’isolement
Les transformateurs d’isolement sont utilisés pour l’alimentation en courant alternatif, lorsqu’une adaptation d’impédance est nécessaire entre la source d’alimentation et le circuit de charge. Les transformateurs d’isolement ne convertissent généralement pas les niveaux de tension ou la fréquence de l’alimentation source. Ils sont utiles pour connecter des circuits équilibrés et déséquilibrés.
Ces transformateurs d’isolement sont utilisés pour augmenter ou diminuer la tension tout en gardant le secteur et les circuits de sortie isolés par une isolation renforcée certifiée CE. (Image : Transformateur de signal)
Alimentation linéaire non régulée
Les alimentations linéaires non régulées sont des alimentations simples de courant alternatif à courant continu. Elles sont conçues à l’aide d’un transformateur abaisseur, d’un redresseur, d’un condensateur de filtrage et d’une résistance de saignée. Tout d’abord, un transformateur convertit la tension de ligne au niveau de tension requis en CA. La tension alternative abaissée est ensuite convertie en tension continue à l’aide d’un redresseur demi-onde ou pleine onde. Le redresseur est conçu à l’aide de diodes. La tension continue pulsée provenant du redresseur est lissée à l’aide de condensateurs de filtrage. Une résistance de saignée peut être connectée en parallèle au condensateur de filtrage pour la protection.
Les alimentations non régulées sont simples et durables. Cependant, leur tension de sortie peut varier en raison de la variation de la tension d’entrée ou du courant de charge. Ainsi, elles ne sont pas très fiables. De plus, elles ne peuvent être conçues que pour sortir une tension et un courant fixes.
Les alimentations régulées linéaires
Les alimentations régulées linéaires sont des alimentations de courant alternatif à courant continu. Elles sont identiques aux alimentations non régulées (force brute), sauf qu’elles utilisent un circuit à transistors fonctionnant dans une région active ou linéaire à la place de la résistance de saignée. Cet étage de transistors actifs permet de sortir à différents niveaux de tension continue précis. Il existe plusieurs circuits intégrés régulateurs de tension dans lesquels est intégré un circuit à transistor actif. Les alimentations régulées linéaires sont stables, sûres, fiables et sans bruit. Il existe des circuits intégrés régulateurs de tension pour une large gamme de tensions d’entrée et de sortie et ils produisent des tensions continues fixes. Les principaux inconvénients de ces alimentations sont leur coût, leur taille et leur efficacité énergétique. Ces alimentations perdent beaucoup d’énergie en raison de la dissipation de puissance et peuvent nécessiter l’utilisation d’un dissipateur thermique avec les CI régulateurs.
L’alimentation linéaire d’Acopian Power Supplies (en haut) est un facteur de dix plus grand et plus lourd qu’une alimentation à découpage comparable (en bas) qui est également d’Acopian, mais l’unité linéaire a des attributs bénéfiques que l’alimentation à découpage ne peut pas égaler.
Alimentation à découpage régulée
Les alimentations à découpage régulées sont des alimentations CA-CC complexes qui tendent à combiner les avantages des alimentations non régulées et régulées. Dans les SMPS, la tension de ligne est redressée en courant continu, puis elle est à nouveau convertie en courant alternatif à onde carrée à l’aide de transistors de commutation. Cette onde carrée à haute fréquence est ensuite abaissée ou augmentée et de nouveau redressée. La tension continue redressée est filtrée avant d’être fournie à une charge.
Alimentation régulée par ondulation
L’alimentation régulée par ondulation est une variante améliorée de l’alimentation AC à DC non régulée. Elle est conçue en combinant une alimentation non régulée avec un circuit à transistors fonctionnant dans la région de saturation. Le circuit à transistors transfère le courant continu à un condensateur pour maintenir les niveaux de tension. Le principal avantage de l’alimentation régulée ondulée est son efficacité énergétique.
Alimentation régulée réglable
Les alimentations régulées linéaires peuvent être modifiées pour fournir une gamme de tensions réglables en utilisant une résistance variable à l’étage final. La résistance variable peut faire chuter la tension de sortie à des valeurs réglables. Une telle alimentation réglable peut alors fournir des tensions dans la plage allant de zéro à la tension maximale régulée par l’alimentation. Les alimentations régulées linéaires symétriques peuvent être modifiées pour fournir des tensions en polarité négative également.
Alimentation par batterie et solaire
Les batteries, les piles et les panneaux solaires fournissent une alimentation en courant continu. Le courant provenant des dispositifs de stockage ou des panneaux solaires doit d’abord être filtré pour éliminer les ondulations pulsées. Elle peut ensuite être régulée aux niveaux de tension continue souhaités en utilisant des circuits intégrés régulateurs de tension. Si la tension d’alimentation d’une batterie ou d’un panneau solaire doit être augmentée, cela peut être fait en utilisant des transistors comme amplificateurs.
Convertisseurs CC-CC
Les convertisseurs CC-CC sont utilisés pour augmenter ou diminuer les tensions CC. Les convertisseurs CC-CC peuvent être de type semi-conducteur, électromécanique ou électrochimique. Les SMPS CC-CC comme le convertisseur push-pull, le convertisseur buck, le convertisseur boost, le convertisseur buck-boost sont quelques exemples de convertisseurs CC-CC de type semi-conducteur. Ces alimentations sont généralement utilisées pour convertir le courant continu (redressé à partir de l’électricité du secteur ou d’une autre source de courant alternatif) afin de fournir différents niveaux de courant continu plutôt que d’utiliser de nombreuses alimentations AC à DC dans un dispositif.
Un exemple d’une alimentation dc-dc de 2 W en SMD (Image : Recom).
Les alimentations DC-to-AC
Ces types d’alimentations sont généralement utilisés pour la sauvegarde de l’alimentation. Les onduleurs, les onduleurs et les générateurs sont des exemples de ces systèmes d’alimentation.
Les amateurs d’électronique et les ingénieurs utilisent le plus souvent des alimentations régulées linéaires et des alimentations à batterie. Les autres types d’alimentations sont généralement conçus et produits pour des applications ou des circuits spécifiques. Certains circuits peuvent nécessiter la conception d’une alimentation utilisant un ou plusieurs panneaux solaires.
Pour les débutants, il est toujours pratique de commencer avec une alimentation régulée linéaire fournissant des tensions continues couramment utilisées comme 12V, 9V, 5V et 3V. Pour les circuits portables, les mêmes tensions peuvent être obtenues en utilisant des alimentations régulées basées sur des batteries. Les alimentations régulées à base de piles peuvent nécessiter le remplacement des piles à intervalles réguliers. Ainsi, une alimentation régulée linéaire fournissant des niveaux de tension continue couramment utilisés est la meilleure solution pour le prototypage et le test des circuits électroniques. Les circuits de production peuvent ensuite être alimentés par des circuits à base de batteries ou de panneaux solaires si nécessaire.
Dans le prochain article, nous aborderons les piles et les batteries.
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