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Physique Appliquée T3 ELT Hacheur série 261 261 8. HACHEUR SÉRIE. 1. débit sur

Physique Appliquée T3 ELT Hacheur série 261 261 8. HACHEUR SÉRIE. 1. débit sur charge R  principe  rapport cyclique  valeur moyenne de la tension  puissance délivrée par le hacheur. 2. Hacheur série alimentant une charge inductive  modèle équivalent de la charge;  fonction : conduction interrompue, conduction ininterrompue  étude quantitative en conduction ininterrompue  tension moyenne;  ondulation du courant i (t) , intensités moyennes des courants Physique Appliquée T3 ELT Hacheur série 262 262 Hacheur série 1 Définition et symbole Le hacheur est un convertisseur statique continu-continu Symbole : 2 Le transistor bipolaire en commutation Le transistor est le composant de base du hacheur. C’est lui qui va faire office d’interrupteur. Voici un bref aperçu de son fonctionnement. 2.1 Caractéristique du transistor associé à une charge résistive. b : base, c : collecteur, e : émetteur La flèche sur le collecteur indique le sens du courant collecteur-émetteur. Le courant de base est la commande. Le circuit collecteur-émetteur est le circuit de puissance. Un faible courant de base commande un fort courant collecteur. . Loi des noeuds au transistor : ie i c ib Loi des mailles : vce U R.ic cette équation permet de tracer la droite de charge statique. Pour la tracer, il suffit de deux points (vce, ic) : vce 0 ic U R point (0, U/R) ic 0 vce U point (U, 0) Pour un courant ib donné, le courant ic et la tension vce sont déterminés par le point de fonctionnement, c’est-à-dire le point d’intersection de la caractéristique ic=f(vce) du transistor et la droite de charge. Sur la caractéristique, trois points d’intersection sont représentés : • le point 2 correspond à un exemple du mode de fonctionnement en amplification ; • les points 1 et 3 correspondent à deux situations extrêmes qui sont celles du mode de fonctionnement en commutation. Tension continue fixe Tension continue réglable Ou plus exactement : tension toujours de même signe, de valeur moyenne réglable. Physique Appliquée T3 ELT Hacheur série 263 263 2.2 Mode de fonctionnement en amplification • 0 ib ib4 (ex. point 2) le courant à travers la charge est proportionnel au courant de base. ic .ib   est l’amplification en courant (autre symbole : hFE ). Le transistor est un amplificateur de courant. 2.3 Mode de fonctionnement en commutation • ib 0 ic 0 (point 1) Aucun courant ne traverse la charge R. ic 0 Le transistor est bloqué. Il est équivalent à un interrupteur ouvert • ib ib4 (point 3) Même si l’on augmente ib, le point de fonctionnement reste au point 3. ic U vce R U 1 R U R ic U R Le transistor est saturé. Il est équivalent à un interrupteur fermé. Conclusion : Dans ce mode de fonctionnement, le transistor est équivalent à un interrupteur unidirectionnel commandé à l’ouverture et à la fermeture. C’est le fonctionnement utilisé pour le hacheur. symbole Physique Appliquée T3 ELT Hacheur série 264 264 3 Principe du hacheur série Montage de principe : débit sur une charge résistive (en réalité l’interrupteur est remplacé par un transistor) On choisit une période T et une fraction  de cette période.  s’appelle le rapport cyclique, 0 1, sans dimension. • de 0 à T : K est fermé  uK 0 v U i v R U R • de T à T : K est ouvert  i 0 v Ri 0 uK U Commentaires : • La tension de sortie du hacheur (tension v) n’est pas continue mais toujours positive. Lorsque la période est assez faible (fréquence de 100 à 1000 Hz) la charge ne « voit » pas les créneaux mais la valeur moyenne de la tension. • le rapport cyclique  peut être réglé. Par conséquent la valeur moyenne v (ou v ) de v va varier. • il s’agit d’un hacheur série car l’interrupteur K est monté en série entre la source et la charge. 4 Valeur moyenne de la tension en sortie du hacheur Exprimons la valeur moyenne de u en fonction du rapport cyclique . Pour cela nous calculons sa valeur moyenne sur une période : v T.U (1)T.0 T U Valeur moyenne : v U Physique Appliquée T3 ELT Hacheur série 265 265 5 Débit sur une charge inductive 5.1 Propriété des inductances Equation fondamentale : uL L. di dt De cette équation nous pouvons démontrer les propriétés ci-dessous. En régime continu établi : l’inductance se comporte comme un court-circuit. En régime périodique établi : la tension moyenne est nulle : u L 0 En régime quelconque : d’une façon générale: • le courant dans une inductance ne peut pas subir de discontinuité. • l’inductance s’oppose aux variations du courant qui la traverse, et ce d’autant plus que : - L est grand ; - la tension aux bornes de l’inductance est plus faible. Conclusion : Une inductance lisse le courant. courant pour une charge résistive : courant pour une charge inductive : 5.2 Problème lié aux charges inductives A la fermeture de K le courant s’établit. A l’ouverture de K deux phénomènes contradictoires ont lieu : • la commande qui veut annuler subitement le courant • la bobine qui ne peut subir de discontinuité de courant Résultat du conflit : c’est la bobine qui « gagne » en provoquant un arc électrique aux bornes de l’interrupteur pour maintenir le courant. Conséquence : L’interrupteur qui est en réalité un transistor subit alors à chaque blocage une surtension qui peut être destructrice. Il faut prévoir un système qui permette le blocage normal du transistor. Physique Appliquée T3 ELT Hacheur série 266 266 5.3 Solution et analyse du fonctionnement Montage : Analyse du fonctionnement : • de 0 à T : K est fermé. La source U alimente la charge. Le courant ne peut pas passer par la diode. uK 0  v U i iK et iD 0 Le courant augmente progres- sivement (la pente dépend de la valeur de L). • de T à T : K est ouvert. La bobine maintient le courant à travers la diode. v 0  uK U i iD et iK 0 Comme la charge n’est pas alimentée, le courant diminue progressivement. Montage équivalent Montage équivalent Commentaires :  A l’ouverture de K, il n’y aura pas d’étincelle puisque le courant imposé par la bobine pourra passer par la diode.  D est appelé diode de roue libre car elle est active lorsque la charge n’est pas alimentée. Elle est nécessaire pour un bon fonctionnement du montage.  La bobine lisse le courant. Plus L est grand, plus i sera petit (voir les oscillogrammes). Physique Appliquée T3 ELT Hacheur série 267 267 Montage réel : L’interrupteur est remplacé par un transistor. Le courant ib commande la saturation (fermeture) ou le blocage (ouverture) du transistor. 5.4 Ondulation du courant dans la charge Elle est donnée par la relation : i Imax Imin 2 Elle peut être mesurée à l’oscilloscope en visualisant la tension aux bornes d’une résistance. Pour diminuer i, il faut augmenter l’inductance L ou/et la fréquence ƒ. 5.5 Courant moyen dans la charge Si on peut négliger la résistance de la charge on peut écrire : i I Imax Imin 2 Intensité moyenne dans le transistor : i K IK I Intensité moyenne dans la diode : i D ID (1)I Remarque : toute l’étude du paragraphe 5 a été faite en supposant la résistance R de la charge négligeable. Physique Appliquée T3 ELT Hacheur série 268 268 6 Application au moteur Le hacheur série est souvent employé pour commander un moteur à courant continu. On rappelle que la vitesse d’un tel moteur est proportionnel à la tension d’alimentation. Montage : Commentaire : Pour un bon fonctionnement du moteur, il est préférable que le courant soit le plus régulier possible, d’où la présence d’une bobine de lissage. Si son inductance est suffisamment grande, on pourra considérer le courant comme constant (i 0). Loi des mailles : v uM uL On passe aux valeurs moyennes : v u M u L Et comme pour un signal périodique : u L 0 Nous obtenons pour le moteur : uM E v U Finalement la f.é.m. du moteur et donc la vitesse peuvent être régler grâce au rapport cyclique par la relation : E U On définit la vitesse maximum pour  = 1 : E U K' nM (on néglige les résistances de l’induit et de la bobine) Pour une valeur de  quelconque : E U K' nM et E K' n D’où la vitesse en fonction de  : n nM Dans tous les résultats de ce paragraphe 6, nous avons négligé les résistances de l’induit et de la bobine. Remarque Le modèle électrique complet du moteur et de la bobine de lissage est représenté ci-contre. v ub uM uL u l E (RM Rb).i En passant aux valeurs moyennes : (u L et u l sont nuls ) v E R.i avec R RM Rb uploads/Sante/ hacheur-serie-261-276-15.pdf