Convertisseur de tension : doubleur tripleur et buck - arnaudrco/exemples GitHub Wiki

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Construire son alimentation

C'est un projet collaboratif, l'idée originale est de Jérôme , Laurent et Gilles E pour l'ingénierie mécanique et Gilles D pour câblage phase 1 et tests initiaux.

simuler un panneau solaire

Que se passe-t-il si nous court-circuitons un panneau solaire m'a demandé Christophe ? Pas si simple de répondre. Ce n'est pas comme une prise de courant. Il n'y a pas de fusible qui saute. L'énergie est perdue si la tension devient trop faible. Une alimentation peut simuler un panneau solaire sommairement en réglant le limiteur de courant

limiter en tension un panneau solaire

très pratique pour tester nos montages : un limiteur de tension réglable avec un comparateur de tension ( lm741 )

références

Générateurs-et-mesures

Augmenter une tension

Pour des panneaux solaires, les courants peuvent être intenses et augmenter la tension va rendre l'installation plus simple ; doubler ou tripler la tension de sortie multiplie respectivement par 4 et par 9 la puissance transportée sans avoir de trop gros cables électriques ; avec une tension plus importante, la puissance transmise permet de maintenir en température une bouilloire ou en partie pour un chauffe eau.

Pour alimenter un jardin partagé, José a réalisé une installation simple avec un panneau photovoltaïque, une batterie et un onduleur ici en test au proto 204

Il est possible d'utiliser des convertisseurs pour augmenter la tension d'un panneau solaire s'il possède une limitation de la tension d'entrée. Tourner la vis à droite pour le réglage de la tension d'entrée minimale à 15 V ou 30 V pour un panneau 18 ou 36 V

Le convertisseur s’allume puis s'éteint dès que la tension d'entrée devient trop faible. Le rendement d'un tel convertisseur n'est pas excellent ; un test réalisé avec une luminosité moyenne donne avec un rendement de 50% si le booster oscille trop vite et la tension est en "dent de scie"; d'autres solutions sont possibles avec des doubleurs ou tripleurs réalisés avec de simples capacités.

Avec notre booster, la tension d'entrée ici de 38V peut monter jusqu'à 100V ( 200 W de puissance avec le chauffe eau )

Nous pouvons utiliser plusieurs-convertisseurs

Réduire une tension

Réduire une tension est le cas le plus courant : nous avons un asservissement en sortie sur une tension de consigne, et le convertisseur oscille à une fréquence de 125 KHz lorsque la tension de sortie devient trop faible

Appareils électroniques, lave vaisselle, lave linge

J'ai eu à réparer un lave vaisselle : plus rien ne marchait. En fait seul un tout petit composant (TNY264 dans ce cas) était en panne

Le composant a été changé et depuis il fonctionne toujours !

Amusons nous à réaliser un convertisseur avec le circuit avec une self que nous réalisons nous même en enroulant du fil autour d'un barreau de ferrite, le circuit génère des pics de tension de presque 200 V avec une alimentation de départ de 15 V : c'est le principe du convertisseur "buck" que nous aborderons après ( voir les précautions https://github.com/arnaudrco/exemples/wiki/Installation-%C3%A9lectrique )

Téléviseurs

l'alimentation demande plus de puissance : le courant est transformé en une tension continue par un pont de diodes puis découpé avec un transistor de forte puissance (MOSFET)

doubleur de tension

Convertisseurs de tension continue vers une autre tension continue plus forte ; la tension des panneaux solaires est faible pour alimenter une forte charge comme la résistance d'un chauffe eau ; il est possible d'augmenter la tension en fonction de l'éclairement. J'ai réalisé un asservissement en entrée sur la tension de fonctionnement optimale des panneaux solaires

nous réalisons un doubleur de tension en associant 2 MOSFETs N et P, une diode et un condensateur C. L'entrée est à 1 (+Vdd phase 1) puis à 0 (-Vbb phase 2). Les MOSFETs servent d’interrupteurs : pendant la première phase le MOSFET N conduit le courant, puis pendant la deuxième phase, c'est au tour du MOSFET P

Le condensateur est chargé avec une tension V pendant la première phase. Avec les interrupteurs, le condensateur est commuté vers le haut ( flèches rouges) pendant la deuxième phase et fournit une tension 2 x V

J'ai utilisé un circuit doubleur avec un pont en H d'un circuit destiné au modélisme et à la commande de petits moteurs : la capacité se charge avec l'interrupteur S1 et S4 à une tension V, puis se décharge à une tension 2 x V avec les interrupteurs S2 et S3

le circuit sert pour commander des moteurs, mais il fonctionne très bien avec notre PV

Le montage fonctionne à merveille ! nous obtenons très facilement une tension de 30 V pour une entrée de 15V ou une tension de 60V pour 30V

code utilisant un pont en H L298 ici

J'ai également réalisé un doubleur avec deux sorties du L298 M1(out1) et M2(out2) :

Si les deux entrées input1 et input2 sont en opposition de phase

nous obtenons en sortie du pont de diodes une tension double

Module expérimental de puissance pour doubler la tension : le pont de diodes est à droite (pavé carré)

Réalisation avec des portes logiques

Les portes logiques du circuit 74xx sont pratiques

La porte de Schmitt a une fonction d'hystérésis identique à la réponse à un champ magnétique d'un matériau ferromagnétique

En prenant deux portes logiques, nous générons le signal "enable"

Cela marche très bien ! J'ai réalisé un oscillateur avec des postes d'un CD4011 très courant et un trigger de Schmitt

Avec une capacité de 500 pF pour l'oscillateur, nous obtenons une consommation de courant de 40 mA pour une fréquence f de 80 KHz. La consommation du L298 augmente en fonction de f

Khz | mA

5 | 15

10 | 16

20 | 18

30 | 20

50 | 25

70 | 30

Par contre, la chute de tension DV pour le doubleur diminue ; pendant une 1/2 période un condensateur se charge et l'autre se décharge ; si C est la capacité d'un des 2 condensateurs de charge

DV = I / ( 2 C f)

Si nous prenons une petite capacité de charge, nous avons intérêt à augmenter la fréquence de découpage, mais nous perdons de la tension. Le montage tient sur une plaquette sans soudure : nous pouvons même réaliser un tripleur de tension avec !

tripleur de tension

le montage devient un tripleur de tension en ajoutant une autre diode et un condensateur.

Le convertisseur en tripleur 15V donne 42.5 V à vide avec une consommation de 70mA. Il monte à 2.1 A avec une résistance de charge de 50 ohms

le premier montage réalisé était le plus complet avec à gauche l'émulateur de panneau ( un générateur de courant ) au centre le pont en H, et à droite le module arduino ou les programmes ont été testés avant intégration sur le panneau solaire

Montage avec inductance (Buck)

Reprenons notre petit switch ( tiny switch ) ; amusez vous à faire le montage sur une self

le montage a été réalisé sur une plaquette

dans la documentation constructeur, voici un transformateur de tension

Pour aller plus loin, nous allons regarder les convertisseurs (Step-down converter diminuer une tension ou up pour augmenter); la difficulté avec les PV est qu'il faut adapter le courant de sortie à l'entrée ; les PV sont complètement dépendants de l'ensoleillement ; j'ai commencé par un simple switch piloté par PWM avec une self de récupération

la tension augmente fortement : 30 V pour la sortie de la self 0.03 mH sur une résistance de 670 ohms sans filtrage de sortie

une

Il existe des circuits pour réaliser des conversions buck

Je simule le circuit LT1243 sous LTSpice

LT1243 se trouve dans la librairie https://github.com/evenator/LTSpice-Libraries et le code LTSpice ici

Montage avec inductance et PWM

Un circuit comparateur comme le LM 741 est très utile pour créer des impulsions PWM

Le courant ne passe que si la tension du panneau est supérieure à une tension de référence : pour un panneau de 18V, j'ai choisi 15 V pour bloquer la sortie du convertisseur "boost" à l'aide d'un transistor MOSFET N.

En ajoutant une boucle positive de réaction entre la sortie et l'entrée avec une résistance (89 K ohms) qui arrive sur le diviseur de tension ( résistance 4,7 K ohms et potentiomètre de 2 K ohms), les oscillations PWM commencent à apparaître ; en utilisant une LED sur la sortie du comparateur je vois les oscillations apparaître en ajustant le potentiomètre.

voici le montage du switch réalisé sur une petite plaque d’époxy ; le circuit LM741 est caché sous les 2 resistances ; avec un boost j'ai réalisé un convertisseur pour mes panneaux solaires quelques euros !

Un deuxième exemplaire a été monté

Le régulateur est monté sur une résistance de test ; la diode LED indique la sortie de la tension sur la résistance ; elle s'allume lorsque la tension d'entrée est suffisante et s'éteint dès que la tension est inférieure au seuil réglable par le potentiomètre ( 2 Kohms )

https://user-images.githubusercontent.com/90700891/229443352-5fa2b8bf-28d5-43d4-a368-5fac88e03915.mp4

Aller plus loin avec les convertisseurs optimisés MPPT

références

Guy Séguier, Électronique de puissance, 7e édition, Paris, Dunod, 1999.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Convertisseur_Buck

pas facile de réparer les alimentations à decoupage ; j'ai regardé d'un peu plus près le power-factor-correction (PFC) sur le blog

https://www.a-m-c.com/fr/power-factor-correction-blog/

formations repair cafe

A lire ICI

Pages connexes :

Liste des ateliers ici