Savez-vous comment prévenir les fluctuations de tension?

L'un des types de problèmes d'alimentation électrique les plus courants est la fluctuation de la tension de sortie. Ce problème est causé par divers facteurs, y compris les variations de la tension d'entrée, les changements imprévus dans le courant de charge, les dysfonctionnements de la boucle de contrôle de rétroaction, les problèmes de fréquence de commutation, les tolérances des composants, les variations de température et le vieillissement des composants. 

Cet article explorera brièvement les causes de la fluctuation de la tension de sortie et fournira des aperçus sur comment résoudre et prévenir ces problèmes.

Variations de la Tension d'Entrée

La tension d'entrée de l'alimentation (ou du régulateur) pourrait fluctuer et dépasser les limites maximales/minimales absolues du régulateur. Le régulateur/contrôleur n'est pas capable de gérer ces variations et, en fonction de la fréquence des variations, la tension de sortie pourrait baisser, augmenter ou présenter une quantité significative d'ondulation. 

Par exemple, veuillez regarder le schéma d'application du célèbre régulateur LM2576-5.0 [1] de Texas Instruments (Figure 1). Il est clairement indiqué que la plage de variation de la tension d'entrée pourrait être entre 7-40V (60V pour la version HV). Un autre exemple est le chip LNK30X, de Power Integrations (Figure 2) [2]. Ici, il est mentionné que la tension d'entrée AC ne doit pas dépasser 265VAC, et ne pas tomber en dessous de 85VAC. Sinon, la tension de sortie pourrait fluctuer, surtout sous certaines charges.

Il convient de noter qu'une alimentation pourrait ne pas être capable de gérer des variations de tension soudaines et significatives à l'entrée, même si les variations se situent dans la plage minimale/maximale. Cela peut également causer la fluctuation de la tension de sortie.

Figure 1

Schéma d'application du régulateur abaisseur LM2576-5.0

Figure 2

LinkSwitch-TN Entrée Universelle, Sortie 12V-120mA

Changements de Charge

L'alimentation électrique pourrait ne pas être capable de gérer des changements soudains dans le courant de charge, ce qui conduit à la fluctuation de la tension de sortie. Par exemple, si la capacité de livraison de courant d'une alimentation est évaluée à un maximum de 3A, et que la charge tire soudainement 4A, si cela se produit périodiquement, alors cela entraînera la chute et la fluctuation de la tension de sortie.

De plus, même si le courant de la charge varie seulement dans une plage limitée, l'alimentation doit être ajustée et testée contre la "réponse de l'étape de charge", en utilisant une charge DC. Pour le dire simplement, une charge DC applique périodiquement des impulsions de charge (par exemple : niveau de courant faible : 1A, niveau de courant élevé : 3A) à la sortie de l'alimentation tandis que la tension de sortie est surveillée pour détecter tout phénomène de résonance. C'est un test essentiel pour les applications où le courant de charge pourrait changer de manière significative et fréquente, comme une voiture où le conducteur pourrait allumer/éteindre souvent les phares, les éléments chauffants, ... etc. La figure 3 montre une alimentation non ajustée [3]. La figure 4 montre une alimentation modifiée/ajustée [3] qui passe le test de réponse de l'étape de charge.

Figure 3

Alimentation non accordée (Rose : Impulsion de courant, Jaune : Tension de sortie, Orange : Tension de sortie (Moyenne sur 4P))

Figure 4

Alimentation accordée (Rose : Impulsion de courant, Jaune : Tension de sortie, Orange : Tension de sortie (Moyenne sur 4P))

Boucle de contrôle de rétroaction

C'est la raison la plus probable de toutes les fluctuations de tension de sortie ! Vous devriez donc vérifier cela en premier avant de chercher d'autres problèmes possibles de fluctuation de tension de sortie. Une boucle de contrôle de rétroaction est simplement un chemin de circuit pour que le contrôleur/régulateur puisse détecter la sortie et stabiliser la tension. Tout dysfonctionnement dans le circuit de rétroaction entraînera, au minimum, une fluctuation de la tension de sortie. 

Le chemin de rétroaction est facile à repérer dans les circuits régulateurs de tension linéaires et buck/boost. Pour les convertisseurs flyback, les composants minimaux de la boucle de contrôle de rétroaction sont l'optocoupleur et la diode Zener (ou un régulateur shunt) (figure 5). La diode de redressement de sortie et les condensateurs de filtrage jouent également un rôle significatif dans la stabilisation de la boucle de contrôle, ce qui sera discuté dans la section « vieillissement des composants ».

Figure 5

Un circuit typique d'un convertisseur flyback

Fréquence de commutation

Si vous concevez/réparez une alimentation électrique et que la tension de sortie est instable, alors une raison probable pourrait être une fréquence de commutation incorrecte. La fréquence de commutation joue un rôle très significatif dans les calculs et les valeurs des composants. Un écart significatif par rapport à la fréquence calculée ou toute instabilité peut provoquer des fluctuations de la tension de sortie.

Tolérance des Composants

Les alimentations électriques sont composées de divers composants discrets, et leurs tolérances doivent rester dans une plage acceptable, une tolérance de 5 %, par exemple. Si ces composants présentent une tolérance plus élevée ou si vous utilisez des composants de faible qualité, cela peut provoquer des fluctuations de la tension de sortie ou une dégradation de l'efficacité. Par conséquent, si vous concevez votre alimentation électrique, vous devriez rester aussi proche que possible de vos valeurs calculées. En cas de tentative de réparation, remplacez le composant défectueux par un autre identique (valeur, taille, tolérance).

Variations de Température

Naturellement, les alimentations électriques génèrent de la chaleur, donc cette chaleur doit être dissipée correctement à l'aide de dissipateurs thermiques et de ventilateurs. Sinon, la chaleur excessive impose un stress thermique sur les composants et réduit leur durée de vie, ce qui provoque facilement des fluctuations de la tension de sortie. De plus, si la température ambiante de l'environnement d'application est élevée ou s'il n'y a pas de ventilation adéquate, cela peut également conduire à des fluctuations de tension car les composants ne peuvent pas se refroidir correctement. 

Composants vieillissants

Avec le temps, la performance des composants - en particulier des condensateurs électrolytiques - peut diminuer, conduisant à une défaillance. La plupart du temps, il est évident qu'un condensateur électrolytique change de forme ou semble gonflé, mais parfois ils se dessèchent sans aucun signe visuel. Les condensateurs de sortie gonflés ou desséchés sont l'une des raisons les plus courantes de fluctuation de la tension de sortie car les condensateurs défaillants affectent la performance de la boucle de contrôle de rétroaction et augmentent le bruit/ondulation de sortie. 

En dehors de cela, le condensateur d'entrée principal (après le redresseur en pont) ou les condensateurs de découplage du circuit intégré de commande pourraient échouer et affecter la tension de sortie. En règle générale, tout condensateur ayant perdu plus de 20 % de sa valeur de capacitance d'origine devrait être remplacé. Ainsi, un mètre LCR est un outil indispensable pour toute conception ou tentative de réparation d'alimentation électrique. 

Cette vidéo explique trois méthodes pour tester une défaillance de condensateur électrolytique [4], sans mesurer l'ESR. Si chercher et réparer des condensateurs électrolytiques individuellement prend trop de temps, alors remplacer tous les condensateurs électrolytiques pourrait être une décision judicieuse ! La figure 6 montre un condensateur gonflé.

Figure 6

Un condensateur électrolytique gonflé
 

Références

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: Réponse à un changement de charge avec une charge électronique DC SIGLENT: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4] : Comment détecter facilement un condensateur défectueux: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU