TOPOLOGIE DE CONVERSION DE TENSION POUR ALIMENTER DES LEDs
Introduction
Contrairement à nos anciennes lampes de poche, une électronique est nécessaire entre l’accumulateur et la LED.
Cette électronique va permettre, à partir de la tension de l’accumulateur, d’imposer à la LED la tension qui va induire le courant afin de générer le flux lumineux désiré. Pour plus d’info sur les LEDs.
Il existe 2 solutions pour réaliser cette "conversion de tension" :
les régulateurs linéaire
les convertisseurs à découpage
Les régulateurs linéaires
C’est le montage que l’on retrouve le plus souvent quand le rendement ou la chaleur générée n’est pas un problème. Il permet de faire simplement, une adaptation de tension et un des schémas est le suivant :
Le montage ne peut que diminuer la tension (donc abaisseur).
C’est un schéma fiable car il y a très peu de composants et qu’ils sont utilisés de façon linéaire (pas de découpage). Cependant l’inconvénient majeur de ce montage est les pertes. En effet le montage absorbe la différence de tension entre l’entrée et la sortie. C’est le transistor (composant tout en haut avec les tension Uce et Ube) qui est chargé d’absorber cette tension qui n’est autre que Uce, on voit clairement sur ce schéma que Uin = Uce + Uout. Dans notre cas Uin est la tension de l’accumulateur, Uout la tension de la LED et Uce la tension absorbée.
Un exemple numérique est le plus simple. Imaginons un accumulateur de 4V de tension et une LED de 3V pour un courant de 3A. Le régulateur doit absorber 1V (4V-3V) et donc les pertes provoquées par ce montage sont donc de 1V x 3A =3W sachant que la LED consomme 9W (3Vx3A) cela fait un rendement de 75% (9/(9+3)). On aura donc 12W de fourni par l’accumulateur qui se répartira entre la LED (9W) et le transistor du régulateur (3W).
Pour améliorer ce rendement il existe les topologies à découpage qui peuvent permettent, en plus, de fournir une tension de sortie supérieure à la tension d’entrée.
Les topologies de convertisseurs à découpage
introduction
Comme nous venons de le voir, les inconvénients des régulateurs linéaires sont les pertes et le fait qu’ils ne peuvent que diminuer la tension.
Pour palier à ces inconvénients les convertisseurs à découpage ont vu le jour.
Principe
Pour réduire les pertes on va utiliser des composants qui s’ils sont idéaux ne provoquent pas de pertes :
le condensateur
l’inductance
Le condensateur permet de stocker la tension et donc il ne peut y avoir de discontinuité de tension aux bornes d’un condensateur.
L’inductance permet de stocker l’énergie magnétique induite par le courant qui la traverse, et donc il ne peut y avoir de discontinuité de courant aux bornes d’une inductance.
Comme se sont de petits réservoirs et qu’ils se remplissent vite, on va donc pour réaliser un transfert d’énergie les vider et les remplir régulièrement et pour cela on va utiliser aussi 2 composants qui ne provoquent pas de pertes s’ils sont idéaux :
L’interrupteur
la diode
L’interrupteur, élément connu de tous, fermé il laisse passer le courant et ouvert aucun courant ne peut passer.
Comme on va remplir et vider régulièrement nos inductance et condensateur, on va pouvoir définir une fréquence de travail qu’on va appeler fréquence de découpage. Le terme découpage vient du fait que l’on utilise un interrupteur pour "couper" le passage du courant.
Bien évidemment ces 4 composants ne sont pas idéaux et leurs éléments parasites vont provoquer des pertes. Mais avec un bon choix de composants les rendements atteignent les 90 % (voir + si on optimise en remplaçant la diode par un autre interrupteur).
On va donc distinguer 3 types (dans notre cas) de topologies de convertisseurs à découpage :
le BUCK (ou montage abaisseur)
le BOOST (ou montage élévateur)
le BUCK-BOOST (ou montage abaisseur-élévateur)
Le BUCK (ou montage abaisseur)
Ce montage permet d’avoir une tension de sortie plus faible que la tension d’entrée (comme le régulateur linéaire), mais avec un rendement bien plus élevé. Le schéma de la partie puissance est le suivant :
Je ne vais pas entrer trop dans les détails, mais pour faire simple si l’interrupteur est fermé pendant 20 % du temps d’une période de la fréquence de découpage, la tension de sortie sera égale à 20 % de la tension d’entrée. C’est simple et efficace encore faut-il ajouter toute l’électronique de commande.
Le BOOST (ou montage élévateur)
Ce montage donne une tension de sortie plus forte que la tension d’entrée, avec un rendement élevé. Le schéma de la partie puissance est le suivant :
Pour celui-la, on voit qu’au repos (interrupteur ouvert) une fois l’inductance pleine (équivalent à un court-circuit) on retrouve la tension d’entrée en sortie(diode idéale). Et donc quand on va fermé l’interrupteur on va remplir l’inductance et la vider dans la capacité de sortie quand on l’ouvre.
Vous allez me dire que l’inductance stocke le courant et que le condensateur stocke la tension…
C’est un peut plus compliqué que le BUCK à comprendre il faut écrire les équations car pour l’inductance et le condensateur de courant et la tension sont liés par des équations, mais le principe est la.
Le BUCK-BOOST (ou montage abaisseur-élévateur)
Comme son nom l’indique il permet d’abaisser ou d’élever la tension d’entrée, ce n’est ni plus ni moins qu’un BUCK suivit d’un BOOST avec l’inductance et le condensateur de sortie en commun. Son inconvénient majeur est qu’il a beaucoup de composants donc un rendement plus faible qu’un BUCK ou qu’un BOOST, et son schéma est le suivant.
Conclusion
Voilà j’ai essayé de vous expliquer rapidement les choix que l’on peut avoir dans l’électronique à mettre en place entre l’accumulateur et la LED.
Le plus simple étant le régulateur linéaire très fiable mais qui peut seulement abaisser la tension et qui produit pas mal de pertes.
Sinon l’utilisation de convertisseurs à découpage est plus efficace mais demande une électronique plus complexe qui prend plus de place. Leur autre point faible est la fiabilité car comme il utilisent beaucoup de composants (surtout pour le contrôle) et des transistors de découpage. Ce n’est que relatif le MTBF(temps moyen entre 2 pannes) reste de l’ordre de plusieurs millions d’heure.
