1.5. La régulation (stabilisation) linéaire.

Une alimentation comprenant seulement des diodes de redressement et un filtre n’est pas suffisante pour fournir une tension continue constante, lorsqu’elle est soumise à des variations de la tension d’entrée, du courant de charge et de la température. Il faut donc ajouter un circuit régulateur de tension entre le filtre et les circuits d’utilisation.

Ainsi, une alimentation régulée (ou stabilisée) est un générateur dont la tension de sortie peut être stabilisée à une ou plusieurs valeurs fixes et indépendantes, dans des limites données (I_min < I_s < I_max) de la tension d’entrée, du courant ou de l’impédance de charge et de la température.

Les principales caractéristiques d’un régulateur de tension sont les suivants :

• Le taux de régulation en fonction de la charge (Lord regulation) ;
• Le taux de régulation en fonction du réseau (Line regulation) ;
• L’ondulation résiduelle à la sortie ;
• Le coefficient de température (temperature coefficient) KT=((∆U_S/U_s)∆T) |Ich=Cte, UE=Cte 
• Impédance interne ou impédance de sortie (Output impedance) ;
• Température limite d’utilisation.

1.5.1. Différence entre stabilisation et régulation.

La stabilisation fixe la tension de sortie à une valeur donnée mais elle ne suit pas ses évolutions. On utilise en général une structure composée d’une diode Zener associée à un transistor dit «ballast» comme indiqué à la figure ci-dessous.

 

La régulation fixe la tension de sortie à une valeur donnée mais elle suit ses évolutions. En permanence la tension de sortie est comparée à une tension de référence, si la tension de sortie diminue alors le régulateur modifie ses paramètres pour palier à cette chute. Cette structure est réalisée soit par un régulateur intégré soit par un montage composé d’un amplificateur opérationnel associé à un transistor ballast comme indiqué à la figure ci-dessous.

L'ensemble du circuit comprend :

• Une référence de tension uZ;
• Un transistor série qui reprend à ses bornes la différence de tension entre uin et u0 ;
• Un amplificateur d'erreur (gain en tension A élevé), qui compare la tension de sortie (divisée par le pont résistif) à la tension de référence uZ.

La tension de sortie Us est constante tant que Is < Is max.

1.5.2. Stabilisation par diode Zener.

a) Caractéristique d’une diode Zener.

La caractéristique d’une diode Zener est donnée à la figure ci-dessous.

 

b) Stabilisation par diode Zener seule.

Le schéma de principe est le suivant.

La valeur de R doit être choisie de sorte qu’elle obéisse la relation suivante.

R≤(V_Emin-V_Z)/(I_Smax+I_Zmin)

La résistance devra également pouvoir dissiper une puissance supérieure à celle donnée par la relation ci-dessous.

P_R=((V_Emin-V_Z)*(V_Emin-V_Z))/R

De même la diode Zener devra pouvoir dissiper une puissance supérieure à celle donnée ci-dessous.

P_Z=V_Z×(V_Emin-V_Z)/R

b) Stabilisation par diode Zener et transistor ballast.

Dans ce montage, indiqué à la figure ci-dessous, la diode Zener sert à stabiliser la tension de sortie et le transistor (ballast) délivre toute la puissance nécessaire.

La tension de sortie a ainsi pour expression :

V_S = V_Z – V_BE

La valeur de R doit être choisie de sorte qu’elle obéisse la relation suivante.

R≤(V_Emin-V_Z)/(I_Bmax+I_Zmin)

La résistance devra également pouvoir dissiper une puissance supérieure à celle donnée par la relation ci-dessous.

P_R=(V_Emin-V_Z)*(V_Emin-V_Z)/R

De même la diode Zener devra pouvoir dissiper une puissance supérieure à celle donnée ci-dessous.

P_Z=V_Z×(V_Emin-V_Z)/R

Le transistor devra supporter :

• Un courant de collecteur supérieure à celle donnée par la relation suivante : I_Cmax = I_Smax
• Une puissance supérieure à celle donnée par la relation suivante :

P_T = (V_Emax – V_S)*I_Smax

1.5.3. Régulation par circuit intégré.

Dans ces types de régulateurs, le transistor, l’amplificateur d’erreur, le pont diviseur ainsi que la diode Zener sont intégrés dans un seul boîtier (Fig.1.). Certains circuits intégrés intègrent les circuits de protection contre les surintensités, les surtensions et l’échauffement.

Si la tension Vs diminue alors Vretour diminue donc e augmente et Vs augmente. Et réciproquement si la tension Vs augmente alors Vretour augmente donc e diminue et Vs diminue.

Il existe énormément de circuits intégrés pour réguler des tensions positives et négatives. Les plus connus sont certainement les régulateurs 3 broches des familles : 78XX (tension positive) et 79XX (tension négative) pour les régulateurs de tension fixe ; 317 (tension positive) et 117 (tension négative) pour les régulateurs de tension ajustable.

a) Montages de base pour régulateur de tension à circuit intégrés.

Le numéro de série des régulateurs de tension positive commence par 78, les deux chiffres qui suivent indiquent la tension de sortie (7805 : 5V ; 7808 : 8V ; 7812 : 12V ; 7824 : 24V ; etc.). Celui des régulateurs de tension négative commence par 79 (7905 : -5V ; 7912 : -12V).

Ce montage est très simple, les condensateurs C1 et C2 sont préconisés par les constructeurs. C1 est nécessaire si le régulateur est placé à plus de 10 cm du condensateur de filtrage et C2 améliore le temps de réponse du régulateur.

Le choix de Ve se fait en fonction de Vs et de Vdrop (tension différentielle d’entrée), cette dernière est donnée par le constructeur, en général sa valeur minimum est de 2V. La tension d’entrée minimale s’obtient ainsi :

 

VSR est la tension de sortie du régulateur.

c) Régulateur de tension ajustable.

Il possible de faire de sorte qu’on est une tension de sortie ajustable comme le cas de la figure ci-dessous.

V_S=V_SR+R₁(i+IQ)

Généralement le courant de repos du régulateur (IQ) est négligeable devant le courant i. Dans ces conditions, on a :

V_S≈V_SR(1+R₁/R₂)

Dans la pratique, pour obtenir une tension de sortie ajustable, il est préférable d’utiliser des régulateurs spécialement conçus pour cet effet comme le cas de la figure ci-dessous.

d) Protection des régulateurs.

Les régulateurs peuvent être protégés contre les surtensions en utilisant des montages simples comme celui de la figure suivante.

Dans ce montage, D1 protège le régulateur contre une surtension en sortie (effet selfique) et D2 protège le régulateur contre les inversions de polarité.

1.6. Dissipation thermique.

La dissipation de puissance dans un semi-conducteur est limitée par la température maximale que la jonction peut supporter (TJmax). En général cette température est de l’ordre de 150°C. Dans les alimentations, on doit être à mesure de vérifier par le calcul si on doit implanter un dissipateur sur un régulateur ou sur un transistor ballast. Pour ce faire, il faut considérer le composant seul sans radiateur, et lui associer un modèle thermique.

1.6.1. Modèle thermique sans dissipateur.

Le model thermique d’un composant est obtenue grâce aux hypothèses suivantes :

• La résistance thermique RTH J-A d’un composant électrique est équivalente à une résistance électrique classique, sauf que son unité s’exprime en °C/W.
• La puissance dissipée PDIS par un composant est équivalent à un courant électrique, sauf que l’unité s’exprime en watt.
• La différence de températures TJ-TA est équivalente à une différence de potentiels.

Le constructeur donne souvent pour un composant les valeurs suivantes :

• TJ : Température de jonction à ne pas dépasser, en général 150°C.
• TA : Température ambiante de fonctionnement, en général 25°C, on peut garder une marge de sécurité en prenant 20°C de plus.
• RTH J-A : Résistance thermique Jonction Ambiant à ne pas dépasser, donnée par le constructeur.

Pour savoir si on doit utiliser ou non un dissipateur, il faut calculer :

• La puissance que le composant doit dissiper dans le circuit.
  • Pour un transistor : P_Dis=V_CE×IC 
  • Pour un régulateur de type 78XX : P_Dis=(V_Cmoy-V_S)×I_Smax
• La température de jonction du composant : T_J=P_Dis×R_TH-JA+TA

Si TJ ≥ TJmax alors il faut utiliser un radiateur (dissipateur).

1.6.2. Modèle thermique avec dissipateur.

La loi d’Ohm thermique s’écrit :

T_J-T_A=P_Dis×(R_TH-JB+R_TH-BR+R_TH-RA)

Où :

• R_{TH JB} ou R_{TH jc} est la résistance thermique Jonction Boîtier.
• R_{TH B-R} ou R_{TH cd} est la résistance thermique Boîtier Radiateur. C’est la résistance de contact entre le composant et le radiateur, elle peut être améliorée par l’emploi de graisse thermique.
• R_{TH RA} ou R_{TH da} est la résistance thermique Radiateur Ambiant, c’est la résistance du radiateur. Elle dépend des dimensions du radiateur.

La résistance thermique du radiateur doit obéir à la condition suivante :

R_{TH_RA}≤(T_Jmax-T_A/P_Dis)-(R_TH-JB+R_TH-BR)

1.7. Protection des alimentations électriques.

La protection des alimentations électriques est souvent réalisée au primaire du transformateur. On utilise un fusible pour les protéger contre les surintensités et une varistance contre les sur tensions.

La varistance est fonction du secteur.

Le type de fusible doit être temporisé T ou encore très temporisé TT pour qu’il puisse supporter la pointe d’intensité due à la mise sous tension de l’alimentation (Condensateurs déchargés). Sa valeur nominale est donnée par la relation suivante.

I_Fus = U_sec.I_sec/U_prim = P_app/_Uprim

1.8. Dimensionnement d’une alimentation régulée.

Pour dimensionner ou calculer les éléments constituants une alimentation, la méthode la plus souvent utilisée est d'effectuer le choix des composants en commençant par la sortie pour remonter vers l'entrée, comme indiqué sur le chronogramme ci-dessous. On donne en générale la puissance de sortie Ps ainsi que la tension Us et le courant Is de sortie.

 

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2016-10-22 21:15:22 / mazoughou@magoe.gn