Vous cherchez une alimentation électrique qui peut convertir l'alimentation CA ou CC en un ou plusieurs niveaux CC ? Vous avez alors besoin d'une alimentation électrique en mode commutation. Principes de fonctionnement.
Fréquemment appelés « commutateurs », ces appareils commutent leurs sources d’alimentation plusieurs fois par seconde. Cette commutation crée une fréquence d’entrée efficace qui se mesure souvent en mégahertz.
Que signifie « mode de commutation » ?
Dans une alimentation de commutation, le « commutateur » est un semi-conducteur – ou MOSFET (pour Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) – que l’on amène à saturation pour qu’il conduise le courant avec une résistance quasi nulle. Il effectue cette opération plusieurs milliers de fois par seconde, créant un courant alternatif intermédiaire à haute fréquence. Comme le semi-conducteur a été mis en état de saturation, sa résistance devient virtuellement nulle, d’où sa grande efficacité et le peu de dégagement thermique. En revanche, une alimentation est dite linéaire lorsque ses redresseurs fonctionnent dans la plage linéaire. Dans ce cas, le passage de l’électricité génère une résistance, d’où une perte de la puissance et une génération de chaleur inhérente au processus.
Quelle que soit la fréquence à laquelle le semi-conducteur change d’état, le temps entre le début de chaque impulsion de « conduction » est appelé période de commutation. La durée de conduction, qui correspond à une fraction de la période de commutation, est appelée cycle de service. C’est en faisant varier le cycle de service que l’on contrôle la tension de sortie. La modification instantanée du cycle de service permet de maintenir la tension à la valeur souhaitée.
Quels sont les avantages des SMPS ?
Haute efficacité : elles génèrent beaucoup moins de chaleur. Le plus souvent, les unités peu énergivores ne nécessitent pas de bouclier thermique, ce qui signifie qu'elles peuvent être montées directement sur les cartes de circuit imprimé.
Facteur forme compact : comme les commutateurs fonctionnent à une fréquence supérieure, la valeur et, donc, la taille de leurs condensateurs et inducteurs de filtrage associés, sont inférieures. Résultat : l’unité est plus compacte.
Conception polyvalente : les commutateurs peuvent être conçus pour élever la tension (Boost) ou abaisser la tension (Buck) selon les besoins de l'application.
Conception des alimentations électriques en mode commutation
Terminologie
Les commutateurs sont souvent décrits en termes de briques, demi-briques et quarts-de-brique. Une brique mesure 4,6 x 2,4 x 0,5 po. ; une demi-brique, 2,3 x 2,4 x 0,35 po. ; et un quart-de-brique, 2,3 x 1,45 x 0,35 po. Ces définitions sont largement acceptées mais ne sont pas uniformément respectées. La spécification décrit également le brochage. Donc, si vous utilisez des commutateurs conformes à la norme, le concepteur peut très facilement remplacer un produit en cas de besoin. Les nouvelles alimentations électriques en quart-de-brique peuvent générer plus de 250 watts. C’est un grand pas en avant, compte tenu de l’espace auparavant occupé par l’alimentation. Le volume libéré permet d’ajouter d’autres fonctionnalités au produit.
Construction
Les équations qui décrivent la physique des commutateurs sont faussement simples. La réalité pratique d'utiliser des ampères, à l'inverse des microamps avec lesquels travaillent la plupart des ingénieurs électriques, peut entraîner des délais, des coûts supplémentaires et même des produits défectueux. Il vaut toujours mieux laisser la conception des commutateurs à un spécialiste. Dans ce cas, il est toujours préférable d’acheter que de concevoir.
Les ingénieurs disposent de deux options principales pour la conception avec des alimentations électriques de commutation. La première est une seule alimentation qui génère toutes les tensions nécessaires au système. La seconde consiste à interfacer une unité avec l’alimentation CA externe, mais avec une seule sortie CC (souvent 12, 24 ou 48 V). Dans ce cas, la tension produite par l’alimentation principale est la plus élevée nécessaire. Si une tension inférieure est requise autre part dans le système, il est possible d’ajouter un convertisseur abaisseur pour assurer la conversion CC en CC à la baisse.
Les convertisseurs Buck sont extrêmement efficaces, avec des pertes inférieures ou égales à 5 %. Parfois, on les appelle aussi régulateurs de commutation. À l’image de tous les commutateurs, le cœur du convertisseur Buck est un interrupteur à semi-conducteur qui commute la tension source plusieurs milliers de fois par seconde, voire plus.
Grâce à leurs avantages de conception, les alimentations électriques de commutation sont rapidement devenues la norme dans toutes les applications sauf les plus techniques et strictes. Les conceptions s’améliorent constamment en termes d’efficacité, de taille et de poids. Vous recherchez d'autres conseils sur les alimentations électriques ? Accédez à nos informations détaillées sur les principaux types de convertisseurs CC en CC de commutation Apprenez aussi quand utiliser une alimentation électrique ininterruptible et comment choisir la bonne solution CA en CC.