Le Hacheur - Physique-appliquee.net
Le hacheur est un convertisseur statique continu-continu ... il s'agit d'un hacheur
série car l'interrupteur K est monté en série entre la source et la charge.
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að de cette période.
að s appelle le rapport cyclique, EMBED Equation.2 , sans dimension.
" de 0 à aðT : K est fermé ( EMBED Equation.2
EMBED Equation.2
EMBED Equation.2
" de aðT à T : K est ouvert ( EMBED Equation.2
EMBED Equation.2
EMBED Equation.2
Commentaires :
La tension de sortie du hacheur (tension v) nest 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 að peut être réglé. Par conséquent la valeur moyenne EMBED Equation.2 (ou EMBED Equation.2 ) 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.
Le transistor bipolaire en commutation
Le transistor est le composant de base du hacheur. Cest lui qui va faire office dinterrupteur. Voici un bref aperçu de son fonctionnement.
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.
.
Le transistor fonctionne comme une "vanne à courant" où ib est la commande de la vanne qui laisse passer plus ou moins le courant ic de c vers e.
Si ib = 0, la vanne est fermée.
Si ib > ibsat, la vanne est totalement ouverte et laisse passer le courant ic maximum.
(ibsat dépend du transistor et du montage)
Entre les deux valeurs extrêmes, ib contrôle le débit de ic.
Mode de fonctionnement en commutation
EMBED Equation.2 Aucun courant ne traverse la charge R. EMBED Equation.2
Le transistor est bloqué. Il est équivalent à un interrupteur ouvert
EMBED Equation.2 Le courant maximum traverse le transistor EMBED Equation.2
Le transistor est saturé. Il est équivalent à un interrupteur fermé. EMBED Word.Picture.8
Conclusion :
Dans ce mode de fonctionnement, le transistor est équivalent à un interrupteur unidirectionnel commandé à louverture et à la fermeture.
Cest le fonctionnement utilisé pour le hacheur.symbole
Valeur moyenne de la tension en sortie du hacheur
Exprimons la valeur moyenne de u en fonction du rapport cyclique að.
Pour cela nous calculons sa valeur moyenne sur une période : EMBED Equation.2
Valeur moyenne : EMBED Equation.2
Débit sur une charge inductive
Propriété des inductances
Equation fondamentale : EMBED Equation.2
De cette équation nous pouvons démontrer les propriétés ci-dessous.
En régime continu établi :
linductance se comporte comme un court-circuit.
En régime périodique établi :
la tension moyenne est nulle : EMBED Equation.2 En régime quelconque :
dune façon générale:
le courant dans une inductance ne peut pas subir de discontinuité.
linductance soppose aux variations du courant qui la traverse, et ce dautant plus que :
- L est grand ;
- la tension aux bornes de linductance est plus faible.
Conclusion :
Une inductance lisse le courant.courant pour une charge résistive :
courant pour une charge inductive :
Problème lié aux charges inductives
A la fermeture de K le courant sétablit.
A louverture 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 :
cest la bobine qui « gagne » en provoquant un arc électrique aux bornes de linterrupteur pour maintenir le courant.
Conséquence :
Linterrupteur 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.
Solution et analyse du fonctionnement
Montage :
Analyse du fonctionnement :
de 0 à aðT : K est fermé.
La source U alimente la charge.
Le courant ne peut pas passer par la diode.
EMBED Equation.2 ( EMBED Equation.2
EMBED Equation.2 et EMBED Equation.2
Le courant augmente progres-sivement (la pente dépend de la valeur de L).
" de aðT à T : K est ouvert.
La bobine maintient le courant à travers la diode.
EMBED Equation.2 ( EMBED Equation.2
EMBED Equation.2 et EMBED Equation.2
Comme la charge nest pas alimentée, le courant diminue progressivement.
Montage équivalent
Montage équivalent
EMBED Word.Picture.8 Commentaires :
A louverture de K, il ny aura pas détincelle 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 nest 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).
Montage réel :
Linterrupteur est remplacé par un transistor.
Le courant ib commande la saturation (fermeture) ou le blocage (ouverture) du transistor.
Ondulation du courant dans la charge
Elle est donnée par la relation : EMBED Equation.2
Elle peut être mesurée à loscilloscope en visualisant la tension aux bornes dune résistance.
Pour diminuer (i, il faut augmenter linductance L ou/et la fréquence .
Courant moyen dans la charge
Si on peut négliger la résistance de la charge on peut écrire :
EMBED Equation.2
Intensité moyenne dans le transistor : EMBED Equation.2
Intensité moyenne dans la diode : EMBED Equation.2
Remarque : toute létude du paragraphe 5 a été faite en supposant la résistance R de la charge négligeable.
Application au moteur
Le hacheur série est souvent employé pour commander un moteur à courant continu.
On rappelle que la vitesse dun tel moteur est proportionnel à la tension dalimentation.
Montage :Commentaire :
Pour un bon fonctionnement du moteur, il est préférable que le courant soit le plus régulier possible, doù la présence dune bobine de lissage. Si son inductance est suffisamment grande, on pourra considérer le courant comme constant ( EMBED Equation.2 ).
Loi des mailles : EMBED Equation.2
On passe aux valeurs moyennes : EMBED Equation.2
Et comme pour un signal périodique : EMBED Equation.2
Nous obtenons pour le moteur : EMBED Equation.2
Finalement la f.é.m. du moteur et donc la vitesse peuvent être régler grâce au rapport cyclique par la relation :
EMBED Equation.2
On définit la vitesse maximum pour að = 1 : EMBED Equation.2 ð
(on néglige les résistances de l induit et de la bobine)
Pour une valeur de að quelconque : EMBED Equation.2
D où la vitesse en fonction de að : EMBED Equation.2
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.
EMBED Equation.3
En passant aux valeurs moyennes : ( EMBED Equation.3 )
EMBED Equation.3 avec EMBED Equation.3
Commande du transistor
Pour alimenter la base du transistor, il faut réaliser un montage électronique délivrant un signal en créneaux avec un rapport cyclique réglable. Il sagit dun oscillateur.
Il existe plusieurs circuits intégrés réalisant cette fonction.
Hacheur série
1/3/98 © Claude Divoux, 1999 PAGE 6/ NUMPAGES 6
