Choisir la bonne alimentation : Alimentation linéaire ou à découpage

Préface

Qu'il s'agisse de machines industrielles, d'électronique grand public ou d'équipements médicaux professionnels, il est essentiel de faire la distinction entre les alimentations linéaires et les alimentations à découpage. Les alimentations à découpage et les alimentations linéaires fournissent un courant continu pour contrôler la puissance et l'équipement électrique. Connaître la distinction entre les deux types d'alimentation, linéaire et à découpage, vous aidera à prendre une meilleure décision quant à l'alimentation à utiliser pour votre équipement, garantissant ainsi le bon fonctionnement de vos appareils.

Alimentations en courant continu

La dynamique opérationnelle des alimentations en courant continu implique plusieurs processus clés qui assurent la conversion de la puissance d'entrée (soit en courant alternatif, soit en courant continu) en une sortie régulée en courant continu adaptée à divers appareils électroniques.

La dynamique opérationnelle

Stade d'entrée

• Conversion de courant alternatif en courant continu : Tout d'abord, une alimentation en courant alternatif est convertie en courant continu. Cela est possible grâce à un circuit de redressement qui est normalement composé de diodes qui permettent au courant de passer dans une seule direction. Le courant alternatif est donc converti en courant continu pulsé.
• Conversion de courant continu en courant continu : si la tension d'entrée en courant continu se trouve déjà dans la plage souhaitée mais doit être ajustée (à la hausse ou à la baisse), un convertisseur de courant continu en courant continu est utilisé.
• Lissage de la sortie : Après le redressement, la tension continue peut encore présenter des ondulations considérables. Des condensateurs et parfois des inductances sont utilisés pour lisser ces ondulations et former une sortie CC plus stable. Cette étape, qui est importante pour les applications nécessitant une tension d'alimentation très stable, est la suivante.

Règlement

• Maintien de la stabilité de la sortie : Les régulateurs de tension sont utilisés pour maintenir la tension de sortie stable même en cas de variation de la tension d'entrée ou des conditions de charge. Les régulateurs peuvent faire partie d'une conception linéaire ou à découpage:Les régulateurs peuvent faire partie d'une conception linéaire ou à découpage :

Etage de sortie

• Réglage final et protection : Le dernier étage de sortie peut comprendre un filtre supplémentaire ou un protecteur de transitoires pour garantir que les composants électroniques sensibles sont protégés contre les pics de tension et le bruit excessif. Cette fonction aide également l'alimentation à maintenir la stabilité de l'alimentation en courant en évitant la surchauffe ou l'instabilité.

La dynamique opérationnelle des alimentations en courant continu implique plusieurs processus clés qui assurent la conversion de la puissance d'entrée (soit en courant alternatif, soit en courant continu) en une sortie régulée en courant continu adaptée à divers appareils électroniques.

Types d'alimentations en courant continu

Il existe principalement deux types d'alimentations en courant continu en fonction de leur méthode de régulation de la tension : linéaire et à découpage.

• Alimentations DC linéaires: La conception de ces alimentations est simple et elles comportent très peu de composants. Le transformateur, le redresseur et le régulateur linéaire sont les composants généralement présents. Cette simplicité augmente non seulement la fiabilité mais facilite également la maintenance et le dépannage, ce qui fait des alimentations linéaires le premier choix pour les applications où la robustesse et la facilité d'utilisation sont les principaux critères.
• Alimentations DC à découpage: Ces alimentations sont complexes en termes de circuits, qui impliquent des éléments de commutation à haute fréquence tels que des transistors ou des MOSFET pour contrôler avec précision la tension et le courant de sortie. Bien que la conception soit complexe, elle permet d'obtenir un meilleur rendement en minimisant les pertes d'énergie et de gérer une plus large gamme de tensions d'entrée et de charges, ce qui en fait une bonne solution pour les applications critiques.

Les configurations linéaires et les modes de commutation utilisent tous deux des alimentations à courant continu, mais il existe de nombreuses différences entre ces deux types d'alimentation.

Qu'est-ce qu'une alimentation linéaire ?

L'alimentation linéaire est un type d'alimentation qui utilise une conception électronique simple pour obtenir une tension de sortie continue sans fluctuation. Elle fonctionne tout d'abord en convertissant la tension alternative en tension continue de plus faible intensité, puis en la filtrant pour obtenir une tension continue plus régulière. La partie cruciale, un régulateur de tension linéaire, est responsable du maintien d'une sortie constante en dissipant la tension supplémentaire sous forme de chaleur.

Le principe de fonctionnement

Une alimentation électrique linéaire convertit le courant alternatif (CA) provenant de l'alimentation principale en une tension continue (CC) stable dont ont besoin les appareils électroniques. Elle s'acquitte de cette tâche en mettant en œuvre plusieurs étapes, notamment la transformation, le redressement, le filtrage et la régulation, afin de produire un courant continu constant et stable.

Étapes détaillées

• Transformateur : La tension alternative de la source est d'abord augmentée par le transformateur. Cette partie du système d'alimentation est chargée de réduire la tension élevée du réseau à un niveau plus bas, qui convient mieux aux circuits électroniques. Elle permet également d'isoler les entrées et les sorties, ce qui constitue un élément de sécurité.
• Redresseur: La tension alternative est abaissée à un niveau inférieur de tension continue, qui est introduite dans le circuit redresseur, généralement composé de diodes. Le redresseur transforme le courant alternatif en courant continu pulsé unidirectionnel en faisant circuler le courant dans une seule direction.
• Condensateur de filtre (condensateur de lissage) : Les impulsions de courant continu sont ensuite lissées (les ondulations sont éliminées) par le redresseur. Un condensateur de filtrage est placé après celui-ci pour garantir que les pulsations sont lissées. Il stocke l'énergie au moment des pics et la libère au moment des creux, ce qui permet d'obtenir une tension continue stable.
• Régulateur de tension: L'étage intermédiaire est la partie la plus importante de la régulation pour maintenir la tension de sortie stable malgré les variations de la tension d'entrée ou les conditions de charge. Le régulateur modifie la résistance à l'intérieur du circuit afin d'annuler toute fluctuation de tension, ce qui permet de maintenir la sortie constante.
• Sortie Condensateur : Un condensateur supplémentaire peut être ajouté à la sortie pour accroître la stabilité en réduisant l'ondulation et le bruit et en affinant ainsi la qualité de la sortie CC.
• Les alimentations linéaires fonctionnent de la manière suivante : conversion, redressement, lissage et régulation, ce qui permet d'obtenir un courant continu propre et régulier. Les alimentations linéaires sont moins efficaces car elles chauffent pendant la phase de régulation de la tension, mais leur conception simple et efficace les rend très fiables.

Applications spécifiques

• Matériel audio (par exemple, amplificateurs audio, matériel d'enregistrement, synthétiseurs musicaux)
• Industrie de l'automatisation (par exemple, équipement d'automatisation de laboratoire, système de contrôle de position de précision, équipement d'essai et de mesure)
• Équipement médical (par exemple, électrocardiographe, équipement d'imagerie médicale, analyseur de laboratoire)

Avantages et inconvénients

Les principaux avantages des alimentations linéaires sont : une conception simple, une ondulation de sortie très faible, une réponse plus rapide et un excellent temps de réponse. Cependant, ces inconvénients sont également assez visibles, comme leur rendement plus faible, leur taille plus importante et leur production de chaleur considérable, ce qui entrave leur utilisation dans les appareils portables.

Qu'est-ce qu'une alimentation à découpage ?

Une alimentation à découpage est un dispositif électronique qui convertit efficacement l'énergie électrique au moyen d'une commutation rapide de sa sortie pour contrôler la quantité d'énergie fournie à la charge. Elle est également appelée alimentation à découpage (SMPS) et est utilisée pour les applications à haut rendement et à courant élevé. Contrairement aux alimentations linéaires qui régulent la sortie en dissipant l'énergie excédentaire sous forme de chaleur, les alimentations à découpage intègrent des composants à l'état solide qui servent de régulateur à découpage pour moduler et réguler les tensions entrantes. Ce régulateur utilise des inductances, des diodes et des condensateurs pour convertir la tension d'entrée en une onde carrée à haute fréquence, qui est ensuite modulée à une fréquence plus basse grâce à la modulation de largeur d'impulsion (MLI).

Le principe de fonctionnement

Une alimentation à découpage est un convertisseur de puissance électrique très efficace qui fonctionne en s'allumant et s'éteignant rapidement, en régulant la fourniture d'énergie grâce à des circuits avancés. Si vous vous demandez Comment fonctionne une alimentation à découpage ?Ce processus permet à l'appareil d'atteindre un rendement élevé tout en générant beaucoup moins de chaleur que les alimentations linéaires traditionnelles.

Étapes détaillées

• Alimentation en courant alternatif et redressement de l'entrée : Le processus commence par l'alimentation en courant alternatif, puis l'alimentation en courant continu est redressée à l'aide de diodes ou d'un pont redresseur. Au cours de cette étape, la tension alternative est convertie en tension continue afin que le signal puisse être traité ultérieurement.
• Filtrage : Le courant continu passe par les filtres, qui sont généralement des condensateurs et parfois des inductances, pour éliminer les composants alternatifs et stabiliser la tension continue avant d'être mis sous tension.
• Haute fréquence Interrupteur: Le SMPS ne peut fonctionner sans un commutateur à haute fréquence qui est généralement un transistor et qui active et désactive rapidement la tension continue. La commutation s'effectue ici à des vitesses très élevées (de quelques dizaines de kHz à quelques MHz), ce qui permet de réduire considérablement la taille du transformateur de puissance.
• Transformateur de puissance : Le transformateur du SMPS fonctionne différemment de ceux des alimentations linéaires, car il fonctionne à des fréquences élevées et est donc beaucoup plus petit. Par conséquent, la tension est ajustée aux niveaux qui conviennent à la charge.
• Cycle de travail Contrôle et circuits de contrôle : Le rapport cyclique de la commutation, c'est-à-dire le rapport entre le temps pendant lequel l'interrupteur est activé et le temps pendant lequel il est désactivé, est réglé pour ajuster la tension de sortie. Ce contrôle est mis en œuvre par des circuits de haute technologie, qui surveillent en permanence la tension de sortie et effectuent les changements de rapport cyclique nécessaires pour maintenir la stabilité de la sortie malgré les variations de la charge ou de la tension d'entrée.
• Sortie Rectification et filtrage : Le transformateur transforme le courant alternatif en haute fréquence. Ensuite, le courant alternatif à haute fréquence est redressé en courant continu. Un autre processus de filtrage par des condensateurs (et parfois des inductances) consiste à éliminer le bruit et les pointes de tension de la sortie, ce qui la rend lisse et stable.

Applications spécifiques

1. L'électronique grand public (par exemple, les smartphones, les tablettes, les téléviseurs, les systèmes audio, etc.)
2. Industrie de l'automatisation (par exemple, robots industriels, lignes d'assemblage automatisées et systèmes de contrôle des processus (par exemple, ordinateurs, capteurs, systèmes logiciels, etc.
3. Équipements de communication (par exemple, téléphones intelligents, stations de base sans fil, équipements de communication par satellite, routeurs de réseau, etc.)

Principales différences entre deux fournitures

Le choix entre les alimentations linéaires et à découpage

Les facteurs à prendre en compte lors du choix de l'équipement d'automatisation sont les suivants :

• Efficacité : L'alimentation à découpage est plus efficace que les autres types d'alimentation, en particulier lorsque la charge varie.
• Taille et poids : Les alimentations à découpage conviennent mieux aux applications à espace restreint en raison de leur taille et de leur poids réduits.
• Production de chaleur : Les alimentations linéaires, qui fonctionnent en continu, produisent plus de chaleur et peuvent nécessiter des dissipateurs de chaleur supplémentaires pour le refroidissement. En revanche, les alimentations à découpage produisent moins de chaleur en raison de leur rendement élevé et de leur fonctionnement intermittent, ce qui peut éliminer le besoin de refroidissement et donc améliorer la fiabilité du système.
• Régulation de la tension et réponse transitoire de la charge : Une alimentation linéaire offre généralement une meilleure régulation de la tension et une meilleure réponse transitoire qu'une alimentation à découpage, ce qui explique pourquoi elle est la plus appropriée pour les applications nécessitant une tension de sortie très précise et stable, telles que les systèmes d'instrumentation et de contrôle.
• Coût total de possession (TCO): Bien que l'achat de blocs d'alimentation à interrupteur puisse être plus coûteux au départ, ils sont plus efficaces, ce qui peut se traduire par des coûts d'exploitation réduits à long terme, en particulier en cas de forte consommation d'énergie.

Conclusion

Le choix entre une alimentation linéaire et une alimentation à découpage dépend de l'analyse des performances et de la comparaison de leurs avantages et inconvénients respectifs avec vos exigences particulières en matière de puissance et d'environnement d'application. L'alimentation linéaire est un bon choix pour les applications qui nécessitent un faible niveau de bruit et une grande fiabilité, tandis que l'alimentation à découpage est parfaite lorsque l'efficacité et la polyvalence sont nécessaires, en particulier dans les petits espaces. Tenez compte du fait que la meilleure décision dépend des besoins spécifiques de votre application, en essayant d'atteindre un équilibre entre le coût, l'efficacité et la performance afin d'obtenir le système d'alimentation parfait.