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Electronique > Bases > Convertisseurs de tension DC/DC

Dernière mise à jour : 16/06/2013

Présentation

Le présent article présente les grandes lignes de la conversion d'une tension continue en une autre tension continue, de même valeur ou de valeur différente, de même polarité ou de polarité opposée. Le terme "convertisseur" indique que l'on affaire à un système différent du régulateur de tension linéaire, qui permet d'abaisser une tension continue mais pas de l'augmenter. Un convertisseur fonctionne en effet selon le principe du découpage de la tension d'entrée (tension à convertir), quel que soit le but recherché (la baisser, l'augmenter ou obtenir une tension identique de polarité inversée).

Convertisseurs abaisseur de tension

Si un simple régulateur de tension linéaire de type LM7812 suffit pour abaisser une tension, quel peut bien être l'intérêt d'un convertisseur abaisseur de tension, plus difficile à fabriquer ? Réponse : le rendement. Le rendement d'un régulateur à découpage (convertisseur) est meilleur, ce qui offre les avantages suivants par rapport à un régulateur linéaire pour une puissance équivalente :
- puissance perdue moindre;
- échauffement moindre et donc dissipateur thermique moins encombrant;
- poids global plus faible.
De manière générale, on va préférer utiliser un régulateur à découpage quand les puissances mises en jeu sont importantes. Pour obtenir une tension de 12 V sous 1 A à partir d'une tension non régulée de 15 V, on va sans doute vouloir rester sur une technologie de régulation linéaire car la puissance perdue sous forme de chaleur est assez modeste (3 V sous 1 A, soit 3 W). Si maintenant on souhaite disposer d'une tension stabilisée de 12 V sous 10 A avec comme source principale une tension non régulée de 20 V, la technologie de régulation à découpage est préconisée car la puissance à faire dissiper par un système de régulation linéaire serait trop élevée (8 V sous 10 A, soit 80 W). Un convertisseur DC/DC sera donc préféré.

Exemples pratiques

Alimentation ajustable 016 - Alimentation à découpage à base de LM2575, sortie +1,5 V à +50 V

Convertisseurs élévateur de tension

Elever une tension, par exemple de 12 V à 15 V est impossible avec un système de régulation linéaire. Et on ne peut pas utiliser directement un transformateur puisque ce dernier ne fonctionne qu'avec des tensions alternatives. Il faut donc utiliser d'autres solutions, partant du principe qu'il faut déjà découper la tension continue d'origine pour la transformer en signal alternatif (carré ou sinus la plupart du temps). A partir de ce signal alternatif, plusieurs solutions :
- Augmentation de la valeur de la tension avec un transformateur d'alimentation (et éventuellement un multiplicateur à diodes), puis redressement et filtrage pour obtenir la tension continue désirée.
- Stockage d'énergie dans une bobine (self) et restitution à une valeur plus élevée en utilisant les propriétés physique de la bobine. Ensuite, redressement et filtrage pour disposer de la tension continue désirée.
Dans les deux cas, il faut un "retour" de la tension de sortie vers la section qui opère le découpage (feedback, contre-réaction), pour stabiliser la tension de sortie. Si on ne le fait pas (schémas les plus simples), la tension de sortie est d'autant plus élevée que la charge (consommation de courant en sortie) est faible et baisse d'autant plus qu'on demande un courant de sortie important. La première méthode est assez simple à mettre en oeuvre car elle repose sur l'emploi d'un transformateur d'alimentation classique et donc courant et pas trop cher. Mais la fréquence de découpage doit rester faible (50 ou 60 Hz) pour que le transfo d'alim fonctionne dans de bonnes conditions (à moins bien sûr qu'il s'agisse d'une transfo qui accèpte de travailler sur une plus large bande de fréquences). Et qui dit fréquence faible dit cellule de filtrage plus volumineuse en taille physique. La seconde méthode met en pratique un découpage à fréquence bien plus élevée, de plusieurs dizaines de kHz à plusieurs centaines de kHz. A ces fréquences élevées, on ne peut plus travailler avec un transformateur d'alimentation classique et c'est pourquoi on utilise des transformateurs, selfs, transistors et diodes spécifiques qui arrivent à tenir la cadence. En échange, et toujours parce que la fréquence de découpage est élevée, on peut se contenter de cellules de filtrages de taille plus modeste, ce qui permet un gain de place et de poids non négligeable.

Exemples pratiques

Convertisseur tension 003 - +18 Vdc vers 430 Vdc
Convertisseur tension 004 - +6 Vdc vers +12 Vdc ou +6 Vdc vers -6 Vdc, basé sur ICL7660
Convertisseur tension 005 - +12 Vdc vers +22 Vdc, CD4093 avec diodes et transistors classiques.
Convertisseur tension 006 - +5 V vers +/-8 V, basé sur MAX232
Convertisseur tension 008 - +12 Vdc vers +30 Vdc, oscillateur + self / capa / diodes et régulateur tension.

Convertisseurs inverseur de polarité

Transformer une tension continue d'une valeur quelconque en une tension de polarité opposée implique obligatoirement un découpage de la tension source. On ne peut pas faire autrement. Il est possible d'obtenir un certain isolement entre la tension d'origine et la tension convertie, mais cela reste du domaine du raisonnable quand les courants demandés sont modérés, de quelques dizaines à quelques centaines de mA.

Exemples pratiques

Convertisseur tension 002 - +12 Vdc vers -10 Vdc
Convertisseur tension 004 - +6 Vdc vers +12 Vdc ou +6 Vdc vers -6 Vdc, basé sur ICL7660
Convertisseur tension 006 - +5 V vers +/-8 V, basé sur MAX232
Convertisseur tension 009 - +12 Vdc vers -10 Vdc / 10 W, oscillateur + inverseur polarité à base de diodes / capas / transistors puissance.

Convertisseur à tout faire (abaisseur / élévateur de tension)

Les cas les plus simples portent sur la régulation d'une tension source dont la valeur est connue et qui non seulement ne fluctue pas trop mais qui en plus est soit inférieure soit supérieure à la tension de sortie désirée. Qu'en est-il quand la tension source à réguler peut prendre une valeur inférieure ou supérieure à la tension régulée désirée ? Pas de miracle, il faut un régulateur à découpage conçu pour, qui peut assurer les deux fonctions abaissement et élévation. Ce système existe par exemple dans certains appareils alimentés par pile ou accus, avec le but d'avoir entre les mains un appareil qui fonctionne encore parfaitement même quand la pile est en bout de course (avec un accu dont la tension chute d'un seul coup en fin du cycle de décharge, l'intérêt est évidement moindre). J'ai été surpris la première fois que j'ai lu un article qui prouvait que l'ajout d'un régulateur à découpage, malgré la perte qu'il introduisait dans le circuit d'alimentation, pouvait au final conduire à une autonomie plus longue que si on n'en mettait pas et que le courant consommé global était plus faible. Mais quand on y réfléchi un peu plus, c'est somme toute assez logique. Sans le régulateur à découpage qui relève la tension quand la pile s'use, l'autonomie est réduite, alors qu'avec ce dernier, on arrive à obtenir une tension suffisante même si la pile est fortement affaiblie. Bien sûr il faut faire un bilan énergétique de l'ensemble pour voir si cette méthode est justifiée, ce n'est pas toujours le cas (c'est à priori bien venu pour les équipements qui ne consomment pas trop).

Questions diverses

Peux-on transformer directement, avec un convertisseur élévateur de tension, la tension de 5 V issue d'une sortie d'un port parallèle, en une tension de 12 V capable d'alimenter directement un petit moteur 12 V ?
Non. Transformer une tension de 5 V en une tension de 12 V est certes possible par un des moyens évoqués ci-avant, mais le problème ici est le faible courant que peut débiter le port parallèle. Le courant que pourrait fournir l'élévateur de tenson serait, quelque soit le convertisseur adopté, limité à quelques mA, ce qui est loin d'être suffisant pour alimenter un moteur (surtout au démarrage, où le courant d'appel est grand par rapport au courant consommé pendant le régime établi).

Obtenir 36 V / 2,5 A à partir d'une tension d'entrée comprise entre 12 et 20 V, c'est possible ?
Il faut bien garder à l'esprit que la puissance ne se crée pas. Si vous désirez réaliser un convertisseur qui accèpte en entrée une tension comprise entre 12 V et 20 V (système embarqué dans une voiture par exemple) et doit restituer en sortie une tension de 36 V sous un courant de 2,5 A, il faut penser au courant requis en entrée. Dans cet exemple, et en faisant l'hypothèse que ledit convertisseur à un rendement de 80% pour un courant de sortie maximal (2,5 A donc),
la puissance de sortie sera de :
Pout = Uout * Iout = 36 * 2,5 = 90 W
Cette puissance vient de l'entrée, et si on ne dispose que d'une tension de 12 V cela implique un courant d'entrée de :
Iin = Pout / Uin = 90 / 12 = 7,5 A
Auquel il convient d'ajouter les 20% de perte (rendement de 80%) :
Iin = 7,5 + 20% = 7,5 + 1,5 = 9 A
Ce type de convertisseur existe depuis longtemps dans les amplificateurs de forte puissance pour autoradio. Car à cause de la tension d'alimentation assez limitée d'une batterie de voiture, il n'existe pas mille solution pour faire sortir des watts (en plus du montage en pont qui permet déjà de quadrupler la puissance BF par rapport à un amplificateur audio simple). Le circuit convertisseur MAX668 de Maxim pourrait peut-être convenir à ce genre de besoin (entrée 3 à 28V, sortie 3 à 100 V, Imax = 6 A).