Le besoin

Il est souvent nécessaire de convertir la tension fournie par la source d'alimentation en une tension permettant d'alimenter les circuits électroniques en toute sécurité. La plupart des alimentations sont constituées d’un circuit de régulation qui s’adapte aux variations de la tension d’entrée pour délivrer une tension stable et constante en sortie.

La source

Les sources d’alimentation électriques sont très variées :

Courant alternatif

• Monophasé : entre 220 et 240 volts
• Triphasé : entre 380 et 415 volts
• Et elle peut être différente dans d'autres pays

Piles et accumulateurs

La tension varie selon la technologie et l’état de charge ; plusieurs éléments sont souvent montés en série pour atteindre des tensions plus élevées :

• Pile alcaline : 1,2 à 1,7 V
• Accumulateur NiCd : 1,1 à 1,4 V
• Accumulateur Li-Ion : 3,2 à 3,9 V
• Batterie au plomb : 1,8 à 2,2 V

Panneau solaire

Ils fournissent une tension continue variable dépendant de l’ensoleillement, celle-ci est généralement convertie et stockée dans une batterie avant utilisation.

Le consommateur

Les circuits consommateurs nécessitent des tensions tout aussi diverses :

• Automatisme industriel : 24 V
• Automobile : 12 V
• Logique numérique : 5 V, 3,3 V, 1,8 V
• Audio symétrique : ±12 V
• Amplificateur Hi-Fi : ±60 V et plus
• Tube cathodique : ≈ 25 000 V

Ne pas disposer de la bonne tension d’alimentation, c’est risquer le dysfonctionnement, voire la destruction du circuit consommateur. Il est donc presque toujours nécessaire d’intercaler un circuit de régulation entre la source et la charge.

Le principe

La source d’alimentation fournit une tension variable dans le temps. Cette variation est lente dans le cas des piles, et très rapide pour le courant alternatif (100 variations par seconde à 50 Hz).

Le circuit de régulation a pour rôle de gommer ces variations afin de fournir une tension constante au circuit consommateur. Pour cela, deux approches principales existent :

• Régulation par la tension : l’excédent d’énergie est dissipé sous forme de chaleur — c’est le principe de l’alimentation linéaire.
• Régulation par le temps : la tension est délivrée périodiquement et est stockée dans une inductance et filtrée par un condensateur pour être restituée ensuite — c’est le principe de l’alimentation à découpage.

Le découpage du temps permet les meilleurs rendements : la tension excédentaire n’est pas perdue, elle est temporairement stockée, puis restituée. On parle d’alimentation à découpage pour les faibles puissances, et de hacheur pour les fortes puissances (commande de moteurs, traction, etc.).

Convertisseur Buck (abaisseur de tension)

C’est la topologie la plus simple des alimentations à découpage. Elle réduit une tension d’entrée élevée vers une tension de sortie plus faible.

Un transistor MOSFET découpe la tension d’entrée à haute fréquence (de 100 kHz à plusieurs MHz), tandis qu’une diode assure la conduction pendant les phases de coupure. Une inductance stocke l’énergie pendant la conduction et la restitue pendant la coupure, et un condensateur de sortie lisse la tension.

Schéma typique utilisant le circuit LM2596 convertisseur Buck 3 A

Améliorations possibles

La diode peut être remplacée par un second MOSFET synchrone, commandé par le circuit de régulation, ce qui réduit la chute de tension et améliore le rendement. Les meilleurs convertisseurs buck atteignent ainsi 95 % d’efficacité.

Points clés de conception

• MOSFET : faible RDS(on), fréquence compatible, boîtier bien refroidi.
• Inductance : courant de saturation > courant max de charge, valeur calculée pour limiter l’ondulation (< 30 % du courant moyen).
• Condensateurs : ESR faible, électrolytique en entrée, céramique ou électrolytique en sortie selon les préconisations du constructeur.
• Routage : boucles de courant minimales, plan de masse étendu et continu.
• Fréquence : plus elle est élevée, plus les composants sont petits, mais le rendement diminue et les EMI augmentent.

Convertisseur Boost (élévateur de tension)

Le convertisseur boost fait l’inverse du buck : il élève la tension d’entrée.

Pendant la conduction, le MOSFET charge l’inductance. Lorsqu’il coupe, l’énergie stockée s’ajoute à la tension d’entrée via la diode vers la sortie.

Ce type de circuit est utilisé dans les rétroéclairages LCD, les chaînes de LED, ou pour alimenter des circuits à tension négative à partir d’une tension positive.

Convertisseur Buck-Boost

Ce convertisseur universel peut élever ou abaisser la tension selon la situation. Les modules récents s’adaptent automatiquement en mode buck ou boost selon la tension d’entrée.

C'est un circuit idéal pour les systèmes alimentés sur batterie dont la tension varie fortement. Par exemple pour alimenter des circuits logiques 3,3 V à partir d'une batterie Li-ion dont la tension varie entre 3,0 et 4,2 V.

Modules et circuits intégrés

Pour l’expérimentateur, les modules pré-câblés constituent la solution la plus pratique, ils sont largement disponibles sur Internet. La tension de sortie est ajustable via un potentiomètre, et certains incluent des afficheurs ou des protections intégrées.

Les concepteurs professionnels préfèreront intégrer directement le circuit régulateur (LM2596, TPS5430, MP1584, etc.) en suivant les recommandations du constructeur. Les feuilles de caractéristiques précisent toujours un schéma type. La valeur de l’inductance, et des condensateurs requis sont spécifiés en fonction de la tension et du courant souhaités en sortie.

Contraintes de routage

Lorsqu’on implémente soi-même un convertisseur, quelques règles sont impératives :

• Plan de masse sous le circuit pour dissiper la chaleur
• Boucles de courant aussi courtes que possible.
• Pistes larges entre MOSFET, diode et inductance.
• Masse puissance et masse signal reliées en un seul point.
• Ajout de condensateurs de découplage proches des broches d’alimentation.

Une mauvaise disposition du PCB peut provoquer des oscillations, du bruit HF, voire un comportement instable du régulateur.

Les alimentations linéaires

Une alimentation linéaire se compose d’un transformateur 50 Hz, d’un pont de diodes, d’un condensateur de filtrage, et d’un régulateur (type 78xx, LM317, LDO…). Elles offrent un signal parfaitement silencieux, mais leur rendement est faible car la tension excédentaire est dissipée sous forme de chaleur.

Avantages

• Aucun bruit haute fréquence.
• Simplicité extrême.
• Excellente stabilité de tension.
• Parfaites pour les circuits audio ou analogiques de précision.

Inconvénients

• Mauvais rendement.
• Dégagement de chaleur important.
• Poids et volume élevés à cause du transformateur 50 Hz.

Elles restent toutefois irremplaçables dans les montages sensibles au bruit, notamment les préamplificateurs Hi-Fi, convertisseurs A/N ou références de tension.

Les alimentations en courant alternatif

Pour les petites puissances, un transformateur 50 Hz abaisse la tension du secteur (12 ou 24 V AC). Un pont de diodes redresse le signal, un condensateur le filtre, et un régulateur linéaire ou buck fournit la tension régulée.

Si la puissance est faible, un régulateur linéaire suffit.

Pour les puissances plus importantes, on utilise une alimentation à découpage secteur

Alimentation à découpage secteur

• Le 230 V alternatif du secteur est redressé et filtré, la tension est alors d'environ 340 V.
• Un MOSFET découpe ce courant à haute fréquence (30–150 kHz).
• Un transformateur haute fréquence assure à la fois la conversion de tension et l’isolation galvanique.
• En sortie, une diode rapide, une inductance et un condensateur restituent la tension DC régulée.

Un module d'alimentation 12 volts

Avantages

• Permet de produire plusieurs tensions de sortie, simplement en ajoutant des enroulements secondaires.
• Le transformateur haute fréquence est beaucoup plus compact qu'un transformateur 50 Hz.

Inconvénients

• Le découpage introduit du bruit sur les lignes d'alimentation
• Ce type d'alimentation est plus coûteux

C’est le principe de fonctionnement des alimentations de PC.

⚠️ Attention : le condensateur primaire est relié directement au secteur.

• Sa tension peut atteindre 340 V et reste dangereuse même après coupure.
• Toujours décharger les condensateurs avant intervention.

Sécurité et isolation

Qu’il s’agisse d’alimentations linéaires ou à découpage, la sécurité reste prioritaire :

• Toujours séparer la haute et la basse tension sur le circuit.
• Utiliser des transformateurs certifiés avec isolation renforcée.
• Respecter les distances de fuite et d’isolement (EN 62368-1).
• Employer des fusibles ou NTC en entrée.
• Prévoir une résistance de purge sur les condensateurs de filtrage.
• Relier la carcasse métallique à la terre pour les alimentations de classe I.

Conclusion

Les circuits d’alimentation sont la base de toute électronique fiable. Qu’ils soient linéaires ou à découpage, chacun présente ses avantages et ses contraintes. Le choix dépendra de la puissance à délivrer, de la sensibilité du circuit, du rendement recherché et du niveau de bruit admissible.

Un bon concepteur saura combiner les deux approches : le découpage pour l’efficacité, le linéaire pour la propreté.