LES ALIMENTATIONS LINEAIRES ET A DECOUPAGE (partie 3/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Monter, tester et analyser un circuit redresseur pont suivi d’un régulateur linéaire (ex. : 7805) afin d’obtenir une tension continue stabilisée. 2. Réaliser une alimentation sans transformateur (type buck ou boost) et une alimentation linéaire stabilisée, en dimensionnant les composants selon les spécifications de charge. 3. Élaborer une méthodologie de diagnostic et de dépannage des cartes d’alimentation, en identifiant les défauts les plus fréquents et en appliquant les procédures de mesure et de remplacement conformes aux normes de sécurité. 4. Rédiger un rapport d’atelier comportant les relevés de mesure, les calculs de dimensionnement et les conclusions de fonctionnement. **Prérequis** : - Notions de base en électronique analogique (diodes, transistors, résistances, condensateurs). - Connaissance des lois d’Ohm et de Kirchhoff, du comportement des condensateurs en filtrage et des régulateurs de tension (78xx série). - Maîtrise de l’utilisation du multimètre, de l’oscilloscope et de l’alimentation de laboratoire. - Consignes de sécurité électrique (isolement, mise à la terre, port de lunettes de protection). --- ## Introduction Les alimentations électriques sont au cœur de pratiquement tous les équipements électroniques utilisés dans les ateliers, les bureaux et les chantiers au Cameroun : postes de soudure, chargeurs de batteries, systèmes de commande d’éclairage public, etc. Deux grandes familles coexistent : les alimentations **linéaires**, simples et à faible bruit, et les alimentations **à découpage** (ou switch‑mode), plus efficaces mais plus complexes. Ce chapitre, troisième partie d’une série consacrée aux alimentations, se concentre sur la mise en pratique : montage de redresseurs, de régulateurs linéaires, d’alimentations sans transformateur et enfin le diagnostic/dépannage des cartes d’alimentation. Les activités proposées s’inscrivent dans la démarche pédagogique « approche par compétences » du MINESEC/IGE : l’élève doit non seulement connaître les théories, mais aussi les mettre en œuvre, les mesurer, les analyser et les corriger en situation professionnelle réelle. --- ## I. Leçon 5 : TP – montage et étude de circuit redresseurs et régulateurs de tension continue ### A. Notions de base Un **redresseur pont** transforme une tension alternative sinusoïdale en une tension pulsée continue. Il se compose de quatre diodes disposées en pont ; lors d’une demi‑onde, deux diodes conduisent et la charge voit la tension d’entrée moins la chute de tension des diodes (≈ 0,7 V chacune en silicium). Le signal résultant est ensuite lissé par un **condensateur de filtrage** placé en parallèle avec la charge, réduisant l’ondulation résiduelle. Un **régulateur linéaire** (ex. : circuit intégré 7805) maintient une tension de sortie constante malgré les variations de la tension d’entrée et de la charge. Il fonctionne en dissipant l’excès de puissance sous forme de chaleur ; donc un dissipateur thermique est souvent nécessaire. > **>** La tension de sortie d’un régulateur 78xx est égale à la valeur indiquée par le dernier chiffre (ex. : 7805 → 5 V) avec une tolérance typique de ± 4 %. ### B. Montage du redresseur pont 1. **Composants** : transformateur d’isolement 230 V/12 V AC, quatre diodes 1N4007, condensateur électrolytique 470 µF/25 V, résistance de charge 100 Ω, fils de connexion, plaque d’essai. 2. **Étapes** : - Souder les diodes en suivant le schéma pont (anode de D1 au côté secondaire du transformateur, cathode de D1 au nœud +, etc.). - Connecter le condensateur entre le nœud + et la masse (cathode de D2/D4). - Placer la résistance de charge en parallèle avec le condensateur. - Vérifier la polarité avant mise sous tension. ### C. Régulateur linéaire (7805) 1. **Composants** : circuit intégré 7805, condensateurs d’entrée et de sortie (0,33 µF céramique en entrée, 0,1 µF céramique en sortie), dissipateur thermique, vis et patte isolante. 2. **Étapes** : - Connecter l’entrée du 7805 au nœud + du redresseur (après filtrage). - Relier la masse du 7805 au nœud commun (cathode des diodes). - Placer le condensateur d’entrée entre V_in et GND, celui de sortie entre V_out et GND. - Fixer le 7805 sur le dissipateur avec la patte isolante pour éviter les courts‑circuits. - Connecter la charge (ex. : LED avec résistance limitante) à V_out. ### D. Mesures et analyse - **Tension efficace d’entrée** (V_ac) mesurée aux bornes du secondaire du transformateur avec un multimètre en mode AC. - **Tension de crête** du redresseur : V_peak ≈ V_ac·√2 – 2·V_F (V_F ≈ 0,7 V). - **Tension continue moyenne** après filtrage : V_dc ≈ V_peak – V_ripple/2, où V_ripple ≈ I_load/(2·f·C) (f = 50 Hz). - **Tension de sortie** du 7805 mesurée en DC ; on vérifie qu’elle reste proche de 5 V malgré les variations de V_in (ex. : de 7 V à 12 V). - **Courant de charge** mesuré en série avec un ampèremètre ou en calculant I = V_out / R_charge. - **Puissance dissipée** par le 7805 : P_D = (V_in – V_out)·I_load. ### E. Exemple chiffré entièrement résolu Données : transformateur 230 V/12 V AC, charge résistive 100 Ω, fréquence 50 Hz. 1. **Tension secondaire efficace** : V_ac = 12 V. 2. **Tension de crête** : V_peak = 12·√2 – 2·0,7 ≈ 16,97 – 1,4 = 15,57 V. 3. **Courant de charge** (sans régulateur) : I_load ≈ V_peak / R = 15,57 V / 100 Ω ≈ 0,156 A. 4. **Ondulation résiduelle** avec C = 470 µF : - R_ripple = 1/(2·f·C) = 1/(2·50·470e-6) ≈ 21,3 Ω. - ΔV ≈ I_load·R_ripple ≈ 0,156·21,3 ≈ 3,3 V (valeur de crête à crête). - V_dc moyenne ≈ V_peak – ΔV/2 ≈ 15,57 – 1,65 ≈ 13,9 V. 5. **Après régulateur 7805** : V_in ≈ 13,9 V (dans la plage 7‑20 V du 7805). - I_load = 5 V / 100 Ω = 0,05 A. - P_D = (13,9 – 5)·0,05 ≈ 0,445 W → dissipation modeste, dissipateur optional mais recommandé pour prolonger la vie du composant. ### F. Encadré à retenir > **>** Le condensateur de filtrage doit être choisi de façon à ce que la réactance capacitive Xc = 1/(2πfC) soit nettement inférieure à la résistance de charge pour garantir une ondulation < 5 % de la tension continue. --- ## II. Leçon 6 : TP – montage d’alimentations sans transformateur, linéaires et stabilisées ### A. Alimentation sans transformateur (type buck) Une alimentation **buck** (abaisseur) utilise un transistor MOSFET piloté par un circuit de commande à découpage pour réduire une tension d’entrée continue supérieure à la tension de sortie souhaitée. Elle offre un rendement élevé (souvent > 80 %) contrairement au régulateur linéaire qui dissipe l’excès sous forme de chaleur. ### B. Alimentation linéaire stabilisée Dans ce TP, on réalise une alimentation **linéaire** à base d’un transistor de puissance en configuration suiveur d’émetteur (ou d’un régulateur 78xx) associée à une référence de tension (zener ou circuit de référence) pour obtenir une sortie très stable, avec un bruit très faible (< 1 mV rms). ### C. Montage pas à pas – alimentation buck simple 1. **Composants** : entrée DC 24 V (adaptateur secteur), inductance 100 µH, diode Schottky 1N5819, MOSFET logique niveau (ex. : IRLZ44N), résistance de mesure de courant 0,1 Ω, potentiomètre 10 kΩ pour réglage de la sortie, circuit intégré de commande (ex. : LM2576‑ADJ) ou un PWM généré par un microcontrôleur (optionnel). 2. **Étapes** : - Connecter l’inductance entre V_in et le drain du MOSFET. - Placer la diode Schottky entre le nœud drain‑inductance et la masse (cathode au drain, anode à la masse). - Relier la source du MOSFET à la masse. - Placer la résistance de mesure entre la source et la masse pour le retour de courant. - Le potentiomètre forme un diviseur de tension avec une référence interne du LM2576 pour ajuster V_out. - Ajouter un condensateur de sortie 220 µF/35 V en parallèle avec la charge. - Vérifier que les pistes supportent le courant de crête (I_peak ≈ V_in/L·Δt). ### D. Montage pas à pas – alimentation linéaire stabilisée (7805 avec référence Zener) 1. **Composants** : transformateur 230 V/15 V AC, redresseur pont, filtre 470 µF, régulateur 7805, diode Zener 5,1 V/0,5 W, résistance de série 100 Ω, condensateurs d’entrée/sortie comme précédemment. 2. **Étapes** : - Réaliser le redresseur et le filtrage comme en Leçon 5. - Utiliser la diode Zener comme référence de tension dans un montage de rétroaction avec un ampli‑op (non montré ici) afin d’améliorer le rejet du bruit d’alimentation et la précision de la sortie. - Ajouter un condensateur de sortie supplémentaire 10 µF tantalum pour améliorer la réponse transitoire. - Mesurer V_out avec et sans charge pour vérifier la régulation (< 10 mV de variation de 0 à 500 mA). ### E. Exemple de dimensionnement – alimentation buck 24 V → 12 V, 2 A - **Inductance** : choisir L telle que le courant d’ondulation ΔI_L soit 20‑40 % du courant de charge. ΔI_L = (V_in – V_out)·D·T_s / L, où D = V_out/V_in = 12/24 = 0,5, T_s = 1/f_sw (f_sw = 100 kHz → T_s = 10 µs). En prenant ΔI_L = 0,4·I_out = 0,8 A, on obtient L = (V_in – V_out)·D·T_s / ΔI_L = (12)·0,5·10e-6 / 0,8 ≈ 75 µH → on choisit 100 µH (valeur standard). - **Condensateur de sortie** : pour limiter l’ondulation de tension à ΔV_out < 50 mV, C_out ≥ I_out·Δt / ΔV_out, où Δt ≈ D·T_s = 0,5·10 µs = 5 µs. C_out ≥ 2·5e-6 / 0,05 = 200 µF → on prend 220 µF/35 V électrolytique + 10 µF céramique en parallèle. - **Diode Schottky** : doit supporter le courant moyen I_out et la tension inverse V_in. Choix 1N5819 (1 A, 40 V) insuffisant → on utilise une diode 30 V/3 A type SB340. ### F. Encadré à retenir > **>** Dans un convertisseur buck, la relation V_out = D·V_in tient uniquement en mode continu de courant (CCM) ; si l’inductance est trop petite, le fonctionnement passe en mode discontinu (DCM) et la formule doit être corrigée. --- ## III. Leçon 7 : TP – diagnostique et dépannage des cartes d’alimentation ### A. Méthodologie de diagnostic 1. **Observation visuelle** : recherche de composants brûlés, de pistes lézardées, de condensateurs gonflés ou fuites. 2. **Mesure des tensions d’alimentation** : avec un multimètre en VDC aux points d’entrée (V_in) et de sortie (V_out) du régulateur ou du convertisseur. 3. **Contrôle des continuités** : vérifier l’absence de court‑circuit entre les rails d’alimentation et la masse à l’aide du mode ohmmètre. 4. **Analyse du signal** : à l’oscilloscope, observer la forme d’onde de la sortie (ondulation, bruit, présence de parasites à haute fréquence). 5. **Test de charge** : appliquer une résistance de charge connue et mesurer la chute de tension sous charge pour détecter une capacité de courant insuffisante. ### B. Outils de mesure indispensables - Multimètre numérique (True RMS) : mesures de tension, courant, résistance, continuité. - Oscilloscope à bande passante ≥ 50 MHz : visualisation des ondulations et des transitoires. - Source de courant programmable ou résistance de charge réglable. - Caméra thermique ou pistolet infrarouge (optionnel) pour détecter les points chauds. ### C. Défauts fréquents rencontrés sur les cartes d’alimentation | Défaut | Symptômes typiques | Cause probable | Action corrective | |--------|-------------------|----------------|-------------------| | Condensateur d’entrée gonflé | Tension d’entrée instable, redémarrage intempestif | Surchauffe, dépassement de tension nominale | Remplacer par un condensateur de même valeur et de tension nominale supérieure (≥ 1,5×V_in) | | Diode de redressement en court‑circuit | Tension de sortie nulle, chauffage excessif de la diode | surtension inverse, défaut de fabrication | Dessouder, tester en diode mode, remplacer par une diode de même type (ex. : 1N4007) | | Régulateur linéaire en surchauffe | Sortie qui décroche sous charge, odeur de brûlé | Dissipation excessive, manque de dissipateur | Ajouter ou améliorer le dissipateur, vérifier la charge, éventuellement passer à un régulateur à découpage | | Inductance du buck ouverte | Sortie chute à 0 V, bruit élevé à la commutation | Fils cassés, mauvaise soudure | Vérifier la continuité, ressouder ou remplacer l’inductance | | Oscillateur du PWM bloqué à 0 % ou 100 % | Sortie fixe à V_in ou à 0 V, pas de régulation | Composant de temporisation défaillant (résistance/condensateur) | Mesurer les valeurs, remplacer les éléments défectueux | ### D. Procédure de dépannage pas à pas (exemple carte buck 24 V→12 V) 1. **Couper l’alimentation** et décharger les condensateurs avec une résistance de puissance. 2. **Inspection visuelle** : repérer un condensateur d’entrée bombé (C_in) et une piste noircie près du MOSFET. 3. **Mesure de continuité** entre V_in et la masse : lecture de quelques ohms → court‑circuit suspect. 4. **Dessoudage du MOSFET** : tester en mode diode : lecture anode‑cathode à 0,6 V (bon) mais court‑circuit entre drain et source → MOSFET défectueux. 5. **Remplacement du MOSFET** par un IRLZ44N identique, vérifier l’orientation (gate, drain, source). 6. **Contrôle du condensateur d’entrée** : mesurer la capacité avec un LCR‑meter : valeur tombée à 80 µF au lieu de 470 µF → remplacer. 7. **Remontage** : alimenter progressivement avec une source limitée à 2 A, vérifier V_out à l’oscilloscope : onde carrée propre, ondulation < 30 mV. 8. **Test de charge** : appliquer 2 A résistif, mesurer V_out = 11,9 V (± 0,1 V) et température du MOSFET < 60 °C après 10 min. ### E. Exemple de dépannage d’une alimentation linéaire 7805 - **Symptom** : sortie à 2,3 V au lieu de 5 V, chauffage du 7805. - **Étapes** : 1. Vérifier V_in aux bornes du 7805 : 8 V (correct). 2. Mesurer la résistance entre V_out et GND : 150 Ω (au lieu de ∞) → présence d’un chemin de fuite. 3. Découvrir une soudure qui relie accidentellement la sortie au ground via un résidu de flux. 4. Nettoyer la zone, ressouder proprement. 5. Redémarrer : V_out = 5,02 V, température du 7805 stable à 45 °C. ### F. Encadré à retenir > **>** Avant toute intervention sur une carte d’alimentation, toujours décharger les condensateurs de filtrage avec une résistance de puissance (≥ 1 W) afin d’éviter les chocs électriques et les dommages aux appareils de mesure. --- ## Synthèse du chapitre - Le redresseur pont + condensateur de filtrage fournit une tension continue pulsée dont la valeur moyenne dépend de la crête moins l’ondulation liée au produit I·R_ripple/2 (V_dc ≈ V_peak – V_ripple/2, avec V_ripple ≈ I_load/(2fC)). - Un régulateur linéaire 78xx assure une tension de sortie fixe tant que V_in reste dans sa plage de fonctionnement (généralement V_out+2 V à V_out+35 V) ; la puissance dissipée est P_D = (V_in–V_out)·I_out. - Les alimentations sans transformateur (buck) utilisent un interrupteur MOSFET, une inductance et une diode pour transférer de l’énergie avec un rendement élevé ; le rapport cyclique D = V_out/V_in détermine la tension de sortie en mode continu de courant. - Le dimensionnement d’un buck repose sur le choix de l’inductance (pour limiter ΔI_L) et du condensateur de sortie (pour limiter ΔV_out) selon les fréquences de commutation et les exigences d’ondulation. - Le diagnostic d’une carte d’alimentation suit une séquence : inspection visuelle, mesure de tensions/continuités, analyse d’onde à l’oscilloscope, test de charge, puis remplacement des composants défectueux (condensateurs, diodes, MOSFET, régulateurs). - Les règles de sécurité essentielles sont : mise hors tension, décharge des condensateurs, port de lunettes de protection, utilisation d’outils isolés, respect des valeurs nominales de tension et de courant. --- ## Glossaire - **Redresseur pont** : montage de quatre diodes permettant de convertir une tension alternative en tension pulsée continue. - **Condensateur de filtrage** : composant placé en parallèle avec la charge pour lisser la tension redressée et réduire l’ondulation. - **Régulateur linéaire** : circuit intégré (ex. : 78xx) qui maintient une tension de sortie constante en dissipant l’excès de puissance sous forme de chaleur. - **Convertisseur buck** : alimentation à découpage abaisseur qui réduit une tension d’entrée continue à une sortie inférieure grâce à un interrupteur, une inductance et une diode. - **Ondulation (ripple)** : variation résiduelle de la tension continue après filtrage, exprimée en volts crête‑à‑crête ou en pourcentage de la valeur moyenne. - **Dissipation thermique** : puissance convertie en chaleur dans un composant, calculée P = V·I pour un élément traversé par un courant. - **Mode continu de courant (CCM)** : régime d’un convertisseur où le courant dans l’inductance ne tombe jamais à zéro durant un cycle de commutation. - **Mode discontinu de courant (DCM)** : régime où le courant de l’inductance atteint zéro avant la fin du cycle, modifiant la relation entre D et V_out. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un alimentation linéaire **Énoncé** : Vous devez réaliser une alimentation stabilisée de 9 V pouvant fournir jusqu’à 500 mA à partir d’un transformateur 230 V/15 V AC. Choisissez les valeurs du condensateur de filtrage (C_f) et du régulateur (7809) et calculez la puissance dissipée par le régulateur en charge maximale. **Corrigé** : 1. Tension secondaire efficace V_ac = 15 V. 2. Tension de crête après redressement : V_peak = V_ac·√2 – 2·V_F ≈ 15·1,414 – 1,4 ≈ 19,9 V. 3. Pour garantir une ondulation < 5 % de V_out (9 V), on veut ΔV_ripple ≤ 0,45 V. La formule de l’ondulation approximative pour un filtre RC en charge résistive est ΔV ≈ I_load / (2·f·C_f). En résolvant pour C_f : C_f ≥ I_load / (2·f·ΔV) = 0,5 A / (2·50·0,45) ≈ 0,5 / 45 ≈ 11,1 mF. On choisit un condensateur électrolytique de 12 000 µF/25 V (valeur commerciale proche qui satisfait la condition < 5 %). 4. Le régulateur 7809 accepte une entrée entre 11 V et 35 V ; avec V_peak ≈ 19,9 V et la chute du condensateur à pleine charge (≈ I·R_ESR, négligeable ici), on reste dans la plage. 5. Courant de charge maximal I_load = 0,5 A. Tension d’entrée moyenne au régulateur ≈ V_peak – ΔV_ripple/2 ≈ 19,9 – 0,225 ≈ 19,7 V. Puissance dissipée P_D = (V_in – V_out)·I_load = (19,7 – 9)·0,5 ≈ 5,35 W. Un dissipateur thermique de résistance thermique ≤ 12 °C/W est nécessaire pour maintenir la jonction sous 125 °C (ΔT = P·R_th ≈ 5,35·12 ≈ 64 °C, température ambiante 25 °C → 89 °C < 125 °C). ### Exercice 2 – Dépannage d’une carte buck **Énoncé** : Une carte d’alimentation buck 24 V→12 V, 2 A ne fournit aucune tension de sortie. À l’oscilloscope, on observe une onde carrée à l’entrée du MOSFET avec un rapport cyclique de 0 % (toujours à zéro). Les mesures de continuité montrent un court‑circuit entre la broche drain du MOSFET et la masse. Proposez la séquence de diagnostics et la correction à apporter. **Corrigé** : 1. **Mise hors tension** et décharge du condensateur d’entrée avec une résistance de 10 W. 2. **Inspection visuelle** : repérer un excès de soudure ou un éclat de piste entre le drain et le plan de masse. 3. **Test du MOSFET** en mode diode : lecture entre drain et source indique un court‑circuit (0 Ω). Le MOSFET est donc défectueux (court‑circuit interne). 4. **Retrait du MOSFET** à l’aide d’une station de dessoudage à air chaud. 5. **Vérification de la piste** : nettoyer la zone, contrôler qu’il n’y a pas de court‑circuit résiduel entre le drain et la masse (mesure en ohmmètre → ∞). 6. **Installation d’un nouveau MOSFET** du même type (ex. : IRLZ44N) en respectant l’orientation gate‑drain‑source. 7. **Contrôle des composants périphériques** : vérifier l’inductance (continuité, pas de court‑circuit) et la diode de redressement (pas de fuite). 8. **Remise sous tension progressive** avec une source limitée à 1 A. Mesurer V_out à l’oscilloscope : on doit obtenir un signal PWM avec un rapport cyclique d’environ 0,5 (puisque V_out/V_in = 0,5) et une tension moyenne de 12 V. 9. **Test de charge** : appliquer 2 A résistif, vérifier que V_out reste dans 11,8‑12,2 V et que la température du MOSFET ne dépasse pas 70 °C après 10 min. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |------------------|-------------|--------------------------------------| | **Oublier de décharger les condensateurs** avant de toucher le circuit | Risque de choc électrique pouvant provoquer des brûlures ou arrêter le cœur | Toujours placer une résistance de puissance (5‑10 W) entre les bornes du condensateur pendant au moins 5 s après coupure de l’alimentation. | | **Utiliser un multimètre en mode courant pour mesurer une tension** | Fusion du fusible de l’appareil, endommagement de l’appareil de mesure | Vérifier la fonction sélectionnée (V, Ω, A) avant de connecter les pointes ; utiliser le mode tension pour les points de potentiel. | | **Souder sans lunettes de protection** | Projection de soudure chaude pouvant endommager les yeux | Porter systématiquement des lunettes de protection anti‑impact et, si possible, un écran facial lors de soudure à l’étain. | | **Négliger le dissipateur thermique sur un régulateur linéaire** | Surchauffe du composant, dérive de la tension de sortie, éventuelle destruction | Calculer la puissance dissipée (P_D) et choisir un dissipateur dont la résistance thermique R_th satisfait ΔT = P_D·R_th < (T_jmax – T_amb). | | **Confondre la polarité d’une diode électroluminescente (LED) lors du test** | LED non éclairante, mauvaise interprétation du fonctionnement du circuit | Repérer la patte plus longue (anode) et la surface plane du boîtier (cathode) ; utiliser le mode diode du multimètre pour vérifier le sens de conduction. | | **Utiliser une inductance avec un courant de saturation inférieur au courant de charge** | Saturation du noyau, augmentation de l’ondulation, perte d’efficacité du convertisseur | Vérifier le courant de saturation (I_sat) indiqué dans le datasheet et s’assurer que I_sat > I_load + ΔI_L/2. | --- *Fin du cours.*