Généralités
Les alimentations à découpage ont un meilleur rendement que les alimentations linéaires, du fait qu'elles utilisent des composants fonctionnant en commutation. La puissance dissipée dans les interrupteurs commandés est réduite (tension faible à l'état passant ou courant faible à l'état bloqué). Le dissipateur (refroidisseur) est moins volumineux
Une fréquence de fonctionnement élevée, généralement supérieure aux fréquences audibles (20 KHz), permet de réduire les dimensions du filtre de sortie. Le transformateur de séparation, du fait qu'il fonctionne à fréquence élevée, a un volume réduit dans des proportions considérables
Cependant, les alimentations à découpage peuvent générer un " bruit " important, interdisant leur emploi dans certains domaines
Transformateur
Dans un transformateur, la tension est donnée par la relation de Boucherot:
Veff = 4,44 * Bmax * f * S * N
avec: Bmax: valeur admissible de l'induction dans le circuit magnétique
f: fréquence de fonctionnement du transformateur
S: section du circuit magnétique
N: nombre de spires de l'enroulement considéré
Pour diminuer le terme S * N (encombrement), on augmente la fréquence f. Dans ce cas les pertes fer augmentent aussi
Principe
Il existe plusieurs structures dont les plus répandues sont Flyback et Forward
Convertisseur FLYBACK
L'élément magnétique fonctionne en inductance d'accumulation d'énergie
Durant une période T, l'énergie emmagasinée est:
Si on admet le système sans pertes, cette énergie est restituée à l'utilisation:
D'autre part: 
d'où: 
et:
(1)
Dimensionnement des semi-conducteurs
Transistor T: lorsque la diode D conduit, la tension aux bornes de l'enroulement n2 est Vs. La tension ramenée aux bornes de l'enroulement n1 (variation du flux F) est:
(2) et 
Diode D:
Remarques:
La relation (1) montre que la tension de sortie Vs peut être réglée par le rapport cyclique t1/T, mais aussi par la période de hachage du transistor T
Le nombre de spires n1 est déterminé à partir de la valeur de l'inductance L. n2 est calculé d'après la relation (2) afin de diminuer les contraintes en tension du transistor
Convertisseur FORWARD
L'élément magnétique fonctionne en transformateur. L'énergie transite du primaire n1 au secondaire n2 pendant la phase de conduction du transistor T. Un enroulement auxiliaire de démagnétisation n3 est nécessaire. Un filtrage L-C est réalisé en sortie
En négligeant le courant magnétisant, les pertes, et en supposant i2 = is lorsque D2 conduit:
Cette relation montre que la tension de sortie peut être ajustée par le rapport des spires n2/n1 et par le rapport cyclique t1/T
Dimensionnement des semi-conducteurs
Transistor: lorsque D1 entre en conduction (démagnétisation), la tension induite sur l'enroulement n1 est :
Diodes:
Les alimentations à découpage ont un meilleur rendement que les alimentations linéaires, du fait qu'elles utilisent des composants fonctionnant en commutation. La puissance dissipée dans les interrupteurs commandés est réduite (tension faible à l'état passant ou courant faible à l'état bloqué). Le dissipateur (refroidisseur) est moins volumineux
Une fréquence de fonctionnement élevée, généralement supérieure aux fréquences audibles (20 KHz), permet de réduire les dimensions du filtre de sortie. Le transformateur de séparation, du fait qu'il fonctionne à fréquence élevée, a un volume réduit dans des proportions considérables
Cependant, les alimentations à découpage peuvent générer un " bruit " important, interdisant leur emploi dans certains domaines
Transformateur
Dans un transformateur, la tension est donnée par la relation de Boucherot:
Veff = 4,44 * Bmax * f * S * N
avec: Bmax: valeur admissible de l'induction dans le circuit magnétique
f: fréquence de fonctionnement du transformateur
S: section du circuit magnétique
N: nombre de spires de l'enroulement considéré
Rappel:
- pertes par hystérésis = Kh * f * Bmax²
- pertes par courants de Foucault = Kf * f² * Bmax²
avec Kh et Kf constantes dépendant des tôles utilisées L'utilisation de tôles feuilletées (comme dans un transformateur 50Hz) n'est plus possible. Le circuit magnétique est en ferrite (poudre de fer pressée et collée). Ce matériau ne permet cependant pas des inductions très élevées (0,1 Tesla). L'augmentation de la fréquence de travail entraîne néanmoins une diminution considérable du volume du transformateur. Par exemple, si la fréquence passe de 50 Hz à 50 KHz, avec une induction de 0,1 T au lieu de 1 T, le produit S* N est divisé par 100, ce qui, à puissance égale, conduit à une réduction d'encombrement de l'ordre de 10
Principe
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Il existe plusieurs structures dont les plus répandues sont Flyback et Forward
Convertisseur FLYBACK
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L'élément magnétique fonctionne en inductance d'accumulation d'énergie
Durant une période T, l'énergie emmagasinée est:
Si on admet le système sans pertes, cette énergie est restituée à l'utilisation:
D'autre part: d'où: et:
(1) Dimensionnement des semi-conducteurs
Transistor T: lorsque la diode D conduit, la tension aux bornes de l'enroulement n2 est Vs. La tension ramenée aux bornes de l'enroulement n1 (variation du flux F) est:
(2) et Diode D:
Remarques:
La relation (1) montre que la tension de sortie Vs peut être réglée par le rapport cyclique t1/T, mais aussi par la période de hachage du transistor T
Le nombre de spires n1 est déterminé à partir de la valeur de l'inductance L. n2 est calculé d'après la relation (2) afin de diminuer les contraintes en tension du transistor
Convertisseur FORWARD
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L'élément magnétique fonctionne en transformateur. L'énergie transite du primaire n1 au secondaire n2 pendant la phase de conduction du transistor T. Un enroulement auxiliaire de démagnétisation n3 est nécessaire. Un filtrage L-C est réalisé en sortie
En négligeant le courant magnétisant, les pertes, et en supposant i2 = is lorsque D2 conduit:
Cette relation montre que la tension de sortie peut être ajustée par le rapport des spires n2/n1 et par le rapport cyclique t1/T
Dimensionnement des semi-conducteurs
Transistor: lorsque D1 entre en conduction (démagnétisation), la tension induite sur l'enroulement n1 est :
Diodes:
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