Comment mesurer correctement le rendement d’une alimentation électrique ?

Les fiches techniques des fabricants ne fournissent souvent que des informations générales relatives au rendement et aux pertes de puissance de leurs alimentations électriques pour différentes tensions secteur ou charges. Par conséquent il est recommandé aux utilisateurs de mesurer par eux-mêmes le rendement d’une alimentation électrique. Cet article du blog vous révèlera les éléments essentiels auxquels vous devez être attentif.

Multimètre, wattmètre ou analyseur de puissance : quel est l’outil (de mesure) le mieux adapté ?

Il existe de nombreux instruments de mesure pour déterminer le rendement. Néanmoins les tolérances et capacités de mesure varient énormément concernant les différents signaux (AC ou DC) à mesurer.

Multimètres :

Les multimètres précis sont très performants pour mesurer la tension et le courant des entrées et sorties uniquement DC. La tension se mesure avec une grande précision directement à l’entrée et à la sortie de l’alimentation électrique. De nombreux multimètres possèdent la capacité de mesurer le courant, mais en général de manière trop imprécise (1 % ou plus d’imprécision) ou leur plage de mesure est insuffisante (souvent limitée à 10 A). En fait, le courant doit être mesuré avec des résistances de shunt d’une grande précision présentant une tolérance de 0,01 %. Cependant, la détection non-synchrone des valeurs peut poser problème car elle entraîne des erreurs en cas de conditions variables.

Wattmètres :

Les wattmètres sont utiles pour mesurer les signaux AC en suivant le principe correct. Les valeurs instantanées du courant et de la tension sont multipliées, puis on calcule une valeur moyenne à partir de ces produits, correspondant à la définition physique de la performance. Cependant, la plupart des wattmètres simples présentent une imprécision de mesure élevée (autour de 1 %). De plus, des courants d’entrée et de sortie en fréquente évolution (entrée AC, charge de sortie variable) causent des erreurs de mesure supplémentaires. Les valeurs fluctuantes sont donc difficiles à interpréter. Généralement, il faut utiliser des wattmètres de grande précision lorsqu’on souhaite mesurer le rendement.

Enregistreurs de données :

Les enregistreurs de données sont encore meilleurs pour des mesures DC. Ils consistent en des compteurs uniques, généralement extrêmement précis, utilisés plusieurs fois par multiplexage. Dans la même plage de mesure, les erreurs s’annulent les unes les autres et toutes les valeurs peuvent être enregistrées immédiatement et évaluées rapidement à l’aide d’une feuille de calcul.

Analyseurs de puissance :

PULS utilise des analyseurs de puissance pour mesurer le rendement de ses alimentations électriques (voir illustration 1). Ils présentent de nombreux avantages : une précision de base élevée de 0,02 %, la mesure correcte de la puissance active, la mesure simultanée et donc synchrone d’entrée et de sortie, ainsi que l’affichage direct des pertes de puissance et du rendement. L’inconvénient de cette méthode de mesure consiste en son prix d’achat conséquent. Néanmoins, l’analyseur de puissance constitue l’outil de choix pour une détermination rigoureuse du rendement.

Illustration 1 : le rendement des alimentations électriques à découpage de PULS se mesure à l’aide d’analyseurs de puissance ultra-modernes.

Astuce :

Cependant, une puissance d’entrée AC ne peut pas être mesurée à l’aide de multimètres ou d’enregistreurs de données. Une erreur courante consiste à croire qu’il suffit de mesurer le véritable RMS du courant et celui de la tension, puis de multiplier les deux valeurs pour déterminer la puissance d’entrée. Cela dit, ce calcul détermine la puissance apparente et non la véritable puissance, qui est cruciale concernant les pertes de puissance. La mesure de la puissance d’entrée AC, même avec de véritables multimètres RMS, ne permet d’obtenir que des mesures incorrectes et n’est absolument pas envisageable !

Éviter des erreurs dans la configuration des mesures

Un analyseur de puissance précis et coûteux peut malgré tout fournir des résultats imprécis, si des erreurs ont été faites pendant la configuration des mesures.

Câblage correct :

Toutes les pertes de puissance ne provenant pas de l’appareil en test ne sont pas autorisées à être intégrées dans les mesures ! Il s’agit d’un principe essentiel, lorsqu’on parle de câblage correct dans la configuration des mesures. Chaque câble et chaque résistance de contact entrainent des pertes de puissance supplémentaires qui risquent de fausser les résultats de mesure. Une mesure à quatre pôles appropriée (mesure Kelvin) doit inclure des câbles séparés pour mesurer le courant et la tension (voir illustration 2).

Source de tension :

De simples sources de tension DC suffisent pour des alimentations électriques à découpage avec entrée DC. Pour des mesures AC, il est important de savoir que la résistance interne d’une source de tension influe sur les mesures par le biais de la forme de l’onde sinusoïdale de la tension secteur. Dans une alimentation électrique 240 W sans PFC, une différence de 0,4 % a été mesurée entre la puissance douce provenant d’un transformateur de régulation d’isolement et la puissance forte provenant d’une source AC électrique. Cette méthode produisant les meilleures valeurs reproductibles, elle est donc préférable.

Le câblage correct d’une alimentation électrique est décisif.

Illustration 2 : la réalisation d’un câblage correct est déterminante. Des mesures à quatre pôles exactes (mesure Kelvin) avec des câbles séparés permettent de mesurer le courant et la tension de manière idéale.

Interférences CEM :

Des alimentations électriques non blindées à l’étape du prototype peuvent interférer avec les compteurs et/ou peuvent faire varier les charges. Il convient de ne pas accepter de signaux avec interférence HF provenant des compteurs. Des filtres supplémentaires, principalement des inducteurs dans des lignes d’entrée, évitent ces problèmes. En outre, il convient de ne pas autoriser les pertes de puissance dans les mesures. Il ne doit y avoir aucun problème avec des alimentations électriques propres déparasitées d’interférences radio.

Charges :

En plus de la source de puissance, la charge utilisée doit également être stable et reproductible. Les charges provenant de résistances de puissance posent problème car elles n’appellent pas un courant constant. Cependant, des charges électriques représentent une charge définie et reproductible de l’appareil en test et même des résistances à fluctuation variable n’altèrent pas le courant.

Prise en considération des conditions ambiantes

Lorsqu’il s’agit de conditions ambiantes, la température joue un rôle essentiel car les pertes de puissance provenant d’une alimentation électrique dépendent de la température. En effet, la température des composants, qui est la somme de la température ambiante et de l’auto-échauffement, représente un facteur clé pour une alimentation électrique.

Température :

Les divers composants d’une alimentation électrique réagissent différemment à la température. Pour certains éléments essentiels, une augmentation de température entraîne une réduction des pertes de puissance, mais pour d’autres, elles augmentent. Les NTC utilisés afin de limiter le courant à la mise sous tension ont une forte influence. Les alimentations électriques avec de tels composants présentent moins de pertes de puissance durant la phase de démarrage et avec des températures ambiantes supérieures (coefficient de température négatif). Mais avec des températures plus élevées, l’augmentation des pertes de puissance est compensée à nouveau par d’autres éléments essentiels (voir diagramme 2).

Les appareils avec une limitation du courant d’appel active présentent un comportement plus stable concernant les températures. On constate dans ce cas seulement une faible augmentation des pertes de puissance dues aux températures. Pour toutes les mesures de rendement, la durée de démarrage et la température ambiante doivent être documentées afin de pouvoir tracer les résultats.

Diagramme 2 : en raison du NTC, le rendement dépend fortement de la durée et de la température.

Diagramme 3 : la limitation du courant d’appel actif sans NTC offre un rendement moins dépendant de la durée et de la température.

Altitude et pression de l’air :

Le refroidissement s’effectuant avec de l’air, la pression de l’air impacte l’auto-échauffement. PULS a calculé la quantité de chaleur supplémentaire générée par les composants à une altitude élevée : approx. + 10 °C à une altitude de 2 000 m au-dessus du niveau de la mer et approx. + 20 °C à 4 000 m. L’humidité joue un rôle négligeable.

Distributions d’échantillon :

Chaque composant ayant ses propres tolérances, tous les appareils sont différents. Cependant, PULS s’efforce, pour débusquer les véritables erreurs, de mesurer les pertes de puissance avec une très grande vigilance pendant la production, moins précisément qu’en laboratoire cela dit. Une valeur moyenne de 95,27 % avec une différence de ±0,15 % a été mesurée sur un lot de production de 200 appareils du type CP10 (voir diagramme 4).

Vous obtiendrez plus d’informations au sujet du rendement et de son impact sur le rendement des alimentations électriques ici (lien).

Diagramme 4 : dans la production PULS, une valeur moyenne de rendement de 95,27 % avec une différence de ±0,15 % a été mesurée sur un lot de production de 200 appareils du type CP10

Conclusion

The correct efficiency measurement of switched-mode power supplies is complex. But it is worth questioning the manufacturer’s data sheet information and measuring it yourself if necessary. PULS has been dealing with the exact measurement of the efficiency of its products for decades and is available to advise its customers on all questions. We have even set up our own team of experienced application engineers to provide application advice.