LIAISON REFERENTIEL Chap E3 §E31 : Fonction en logique

ALIMENTATION STABILISEE +/- 12 volts - 500 mA
LIAISON REFERENTIEL
I- PRESENTATION - DEFINITION :( JM. PARISOT)
La grande majorité des équipements électroniques a besoin d’une source de courant continu qui
peut être une pile ou une batterie, mais qui généralement est constituée d’un circuit transformant le
courant alternatif du secteur (220V, 50Hz) en courant continu : l’alimentation stabilisée.
Le rôle d’une alimentation continue est de fournir les tensions et courants nécessaires au fonctionnement
des circuits électroniques avec le minimum d’ondulation résiduelle et la meilleure régulation possible.
Elles doivent, de plus, souvent limiter le courant fourni en cas de surcharge ainsi que la tension continue
qu’elle délivre, ceci afin de protéger les composants fragiles.
Il existe des moyens divers pour produire une tension continue stable à partir d’une tension alternative ;
deux méthodes seulement sont fréquemment employées :
- la stabilisation linéaire,
- la stabilisation par découpage.
Toutes deux ont leurs avantages et leurs inconvénients. L’alimentation à découpage s’utilise
essentiellement dans le domaine des puissances de 100W et plus. Nous ne parlerons ici que de
l’alimentation stabilisée linéaire devenue classique.
L’alimentation stabilisée, constitution et fonctionnement
Le bloc diagramme d’une alimentation apparaît ci-dessous :
II- LE TRANSFORMATEUR :
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Plus de 90% des alimentations en électronique utilisent des transformateurs.
La formule de Boucherot, en physique, nous donne la valeur de la tension d'un enroulement
U = 4,44 . B̂ . N . S . f
U tension efficace
avec :
f : fréquence du réseau.
S : section du circuit magnétique du transformateur.
N : nombre de spires de l'enroulement considéré.
B̂ : valeur maxi de l'induction, mais comme f, S et B̂ sont constantes pour un même
transformateur, on aura alors :
Ul = K . N1 et U2=K . N2
avec K = 4,44 . B̂ . S . f
On en déduit que le nombre de spires sera proportionnel à la tension. C'est pourquoi dans un
transformateur abaisseur, le primaire comporte plus de spires que le secondaire.
Remarque : Masse du transformateur
S est la section du circuit magnétique du transformateur. On imagine que plus la section est grande
plus le poids est important. Donc à tensions égales si nous souhaitons alléger le transformateur, il faut
diminuer la section en compenser par une augmentation de la fréquence, pour une même induction donc
des tôles identiques. C’est pourquoi le transport aérien utilise une fréquence de 400hertzs et des
transformateurs plus légers de 8 fois.
La fréquence de fonctionnement doit être limitée car plus elle est importante plus les pertes sont
importantes (fer et Foucault).
On peut repousser les limites de la fréquence mais cela suppose que le circuit magnétique soit constitué
de ferrite.
II-1- Puissance Apparente :
Le transformateur est défini par da puissance apparente S nous avons :
S = U1 I1 = U2 I2 en VA
Cette puissance s’exprime en Volt Ampère.
Le choix se fait donc sur cette donnée en fonction de la tension primaire et secondaire souhaitée.
II-2- Technologie :
Le transformateur est un convertisseur statique alternatif/alternatif, c’est la variation de
tension primaire qui permet une variation de flux. Cette variation permet à son tour d’induire la
bobine secondaire et permettre donc la naissance d’une tension secondaire alternative de même
pulsation que la tension primaire.
Limitation des pertes :
Les pertes dans le transformateur sont de deux types, les pertes joules qui sont liées aux
bobines (cuivre) et les pertes fer.
Les pertes fer ont deux causes, les courants de Foucault et l’hystérésis.
Pertes par courant de Foucault :
Les matériaux ferromagnétiques ont souvent des propriétés conductrices pour le courant
électrique : en présence d’un flux variable, la fem induite crée les courants de Foucault qui
circulent dans le matériau.
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L’effet Joule dissipe l’énergie sous forme de chaleur, ce sont les pertes par courants de
Foucault.
Ces pertes sont proportionnelles au carré de la fréquence et au carré de l’induction. Donc plus la
fréquence est élevée, plus ces pertes sont importantes, il en va de même pour l’induction.

Comment réduire ces pertes :
- En dopant le matériau magnétique de silice (grain)
- En augmentant la résistance au passage des courants de Foucault en feuillant le noyaux
(empilage de tôle isolée les une des autres par oxydation)
Pertes par hystérésis :
Ces pertes sont dues à la différence d’énergie stockée pendant la croissance et celle
restituée lors de la décroissance de H. Elles sont donc proportionnelles à la fréquence.
On l’exprime sous la forme suivante :
Valeur donnée par le constructeur de tôle
Autre technologie de transformateur
Nous avons vu des transformateurs de construction conventionnelle (cuirassé), le bobinage
des enroulements se fait sur un support qui est glissé sur le noyau du circuit magnétique en E fermé par
des tôles en I. Cette technologie nous impose donc un entrefer qui génère des pertes (fuites magnétiques).
Nous utilisons alors des circuits magnétiques toriques.
Par construction, le transformateur torique est proche de la définition théorique idéale. De ce fait,
les performances sont excellentes : dimensions et poids réduits (près de la moitié d'un transformateur
conventionnel), bruit et champ de fuites magnétiques très faibles.
Ces excellentes caractéristiques font de ce type de transformateur le composant idéal pour les
alimentations et équipements compacts. Les techniques de production permettent aujourd'hui de réaliser
ces transformateurs toriques à des prix équivalents, voire meilleurs, que les transformateurs
conventionnels.
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Le noyau est un ruban spiralé de tôle au silicium à grains orientés. Il n'y a pas d'entrefer, pas de
tôles libres pour produire du ronflement.
- Les pertes fer sont très faibles (valeur typique 1,1 W/kg) : le courant magnétisant et donc l'échauffement
sont réduits.
- La densité de flux est plus élevée parce que le flux magnétique est orienté dans la direction de la tôle
spiralée à grains orientés, d'où une considérable réduction du poids et du volume du noyau.
- Tous les enroulements sont répartis de façon symétrique sur la totalité du noyau, les longueurs de fil en
sont plus courtes.
- Une meilleure densité de courant dans les enroulements est permise, car ils utilisent la totalité du noyau
comme surface d'échange thermique.
- L'économie de matériaux participe à la compétitivité du produit.
Test
- Chaque transformateur subit un test d'isolement primaire/secondaire à 4 000 V AC. Cet
isolement est réalisé par une triple couche d'un ruban polyester et les chemins de fuite aux points
de sorties sont conformes à la CEI 65.
- L'isolement des secondaires est supérieur à 500 V AC.
- Toutes les tensions sont définies à pleine charge. Le taux de régulation permet de calculer les
tensions à vide. La tolérance de bobinage est de ± 5 % conformément aux normes
BS 3535 et CEE 15.
- L'accroissement de température à pleine charge en régime permanent peut atteindre 65° audessus de l'ambiante, la température du transformateur ne devant pas dépasser 105° (maximum
admissible par les isolants PVC).
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III- LE REDRESSEMENT :
III-1- Rappels de cours
Simple alternance
Double alternance à pont de
Graêtz
Double alternance avec
transfo. à point milieu
Double enroulement et
pont (Alim symétrique)
III-2- Les diodes :
La diode est le semi-conducteur de base : on ne peut pas combiner du silicium dopé plus
simplement.
Son fonctionnement macroscopique est assimilable à celui d'un interrupteur commandé qui ne
laisse passer le courant que dans un seul sens. Cette propriété lui ouvre un champ d'applications
assez vaste en électronique. C'est la diode qui va permettre de redresser le courant alternatif issu
du secteur et autoriser la fabrication d'alimentations stabilisées qui sont obligatoires dans la
plupart des montages électroniques. On conçoit donc que si ce composant est basique, ainsi que
son fonctionnement, il n'en n'est pas moins fondamental !
La fonction diode a existé bien avant l'arrivée du silicium : on utilisait alors des diodes à vide (les
lampes) dont le fonctionnement était basé sur l'effet thermoélectronique. Le silicium a apporté les
avantages suivants : coût, fiabilité, encombrement, simplicité d'utilisation
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III-2-1-Principe de fonctionnement :
Si on dope une partie d'un semi conducteur intrinsèque avec des atomes à 5 électrons
périphériques (le semi conducteur devient extrinsèque de type N) et l'autre avec des atomes à 3
électrons périphériques (extrinsèque de type P), on crée une jonction, qui est la limite de
séparation entre les deux parties.
Au voisinage de la jonction, les trous de la zone P vont neutraliser les électrons libres de la zone
N (il y a diffusion des charges). Ce phénomène va s'arrêter quand le champ électrique Eint créé
par les atomes donneurs ou accepteurs (qui vont devenir respectivement des charges + et -) va être
suffisant pour contrarier le mouvement des charges mobiles. Ceci constitue une barrière de
potentiel pour les porteurs majoritaires. Par contre, cette barrière de potentiel va favoriser le
passage des porteurs minoritaires (conduction électrique).
Les deux courants antagonistes (diffusion des majoritaires et conduction des minoritaires)
s'équilibrent et leur somme est nulle en régime permanent et en l'absence de champ électrique
extérieur.
Avec un générateur en sens direct :
La barrière de potentiel interne empêche donc toute circulation de courant. Si on applique
un champ externe à l'aide d'un générateur en branchant le pôle + sur la zone P et le pôle - sur la
zone N, on peut annuler les effets du champ interne et permettre au courant de circuler : le
phénomène d'attraction des électrons libres de la partie N par les trous de la partie P (diffusion)
n'est plus contrarié, et le générateur va pouvoir injecter des électrons dans la zone N et les
repomper par la zone P.
Le courant de conduction constitué par les porteurs minoritaires prend une valeur If indépendante
du champ extérieur.
Le courant total est la somme des deux courants, soit pratiquement le courant direct dû aux
porteurs majoritaires dès que la tension atteint la centaine de mV.
La diode est alors polarisée dans le sens direct, et un courant relativement intense peut circuler : de
quelques dizaines de milliampères pour des diodes de signal à quelques ampères pour des diodes
de redressement standard, voire à des centaines d'ampères pour des diodes industrielles de très
forte puissance.
Avec un générateur en sens inverse :
Si on branche le générateur dans le sens inverse du cas précédent, on renforce le champ
électrique interne, et on empêche le passage des porteurs majoritaires : les électrons libres sont
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repoussés dans la zone N et les trous dans la zone P ; on accentue la séparation des charges (zone
de déplétion).
Par contre, les porteurs minoritaires (trous pour la zone N et électrons libres pour la zone P)
peuvent traverser la jonction et reboucler par le générateur : ils forment le courant inverse If qui
dépend essentiellement de la température.
Le champ extérieur repousse les charges qui vont se trouver à une distance sensiblement
proportionnelle à |V|, créant ainsi une capacité proportionnelle à cette distance, donc à |V|.
Cette capacité est inhérente à toute jonction de semi conducteurs, et va constituer la principale
limitation (en régime linéaire tout du moins) au fonctionnement à haute fréquence des composants
électroniques (diodes, transistors et circuits intégrés les employant).
II-2-2- Caractéristiques électriques :
1- Caractéristique courant/tension.
On a vu précédemment que le courant était négligeable pour une tension Vd = Vp-Vn
négative (ceci est vrai jusqu'à une tension Vc dite tension de claquage).
Au dessus d'un certain seuil Vo de tension Vd positive, le courant direct croit très
rapidement avec Vd.
Le seuil Vo (barrière de potentiel) dépend du semi conducteur intrinsèque de base utilisé. Il
est d'environ 0,2V pour le germanium et 0,6V pour le silicium.
La caractéristique a la forme suivante :
Caractéristique directe (Vd > 0)
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Sur ce type de diode au silicium, le courant croit assez rapidement au delà de 0,7V. C'est une
diode de redressement supportant 1A en direct et 600V en tension inverse.
Autour de zéro.
La caractéristique passe par l'origine. Pour Vd négatif, le courant tend rapidement vers la limite -If
(courant de fuite) , car le courant de diffusion dû aux porteurs majoritaires va s'annuler.
Caractéristique inverse (Vd < 0). Phénomène de claquage.
Quand la tension appliquée dépasse la valeur spécifiée par le fabricant, le courant décroît
(attention : il est déjà négatif !) très rapidement. S'il n'est pas limité par des éléments externes, il y
a destruction rapide de la diode. Deux phénomènes sont à l'origine de ce résultat :
- phénomène d'avalanche : quand le champ électrique au niveau de la jonction devient
trop intense, les électrons accélérés peuvent ioniser les atomes par chocs, ce qui libère
d'autres électrons qui sont à leur tour accélérés Il y a divergence du phénomène, et le
courant devient important.
- phénomène Zener : les électrons sont arrachés aux atomes directement par le champ
électrique dans la zone de transition et créent un courant qui devient vite intense quand la
tension Vd atteint une valeur Vz dite tension Zéner.
Si on construit la diode pour que le phénomène Zéner l'emporte sur le phénomène
d'avalanche (en s'arrangeant pour que la zone de transition soit étroite), on obtient une
diode Zéner.
On utilise alors cette diode en polarisation inverse. L'effet zéner n'est pas destructif dans ce
cas. Ces diodes sont très utilisées pour la régulation de tension.
Équation :
la courbe Fig. 2. (à l'exception de la zone de
claquage) répond assez bien à la formule
suivante, expliquée par la thermodynamique
statistique :
où : If est le courant de fuite
q la charge de l'électron = 1,6E-19C
k constante de Boltzman = 1,38E-23 J/K
T température absolue
Effet de la température :
Pour Vd positif, la diode a un coefficient de température négatif égal à -2mV/K. Cette
dérive en température est suffisamment stable pour qu'on puisse utiliser des diodes comme
thermomètres.
Pour Vd négatif, le courant de fuite If varie très rapidement avec la température. Il est plus
important pour le germanium que pour le silicium, et croît plus vite, ce qui devient
rapidement gênant. Dans le silicium, ce courant double tous les 6°C.
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Résistance différentielle (ou dynamique) :
La résistance dynamique étant l'inverse de la pente de la caractéristique en un point donné,
on peut la déduire par dérivation de la formule [1] :
C'est la résistance dynamique au point de fonctionnement (Vd , Id). Elle est fonction du
courant de polarisation Id au point étudié.
La figure ci-dessus donne la valeur de rd en fonction de la tension de la diode : les
variations sont très importantes.
Schéma équivalent :
La représentation de la diode par sa loi logarithmique est un peu complexe pour l'emploi de
tous les jours. Plusieurs schémas équivalents simplifiés sont proposés :
- Diode idéale :
Dans ce cas, on néglige la tension de seuil et la résistance interne de la diode.
Ce schéma est utile pour des pré calculs, surtout si les diodes sont employées dans des
circuits où les tensions sont élevées (plusieurs dizaines de volts) : la tension de coude est
alors négligeable.
- Diode avec seuil :
On peut continuer à négliger la résistance interne, mais tenir compte du seuil de la diode.
La caractéristique devient :
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- Diode avec seuil et résistance :
Ici, on prend en compte la résistance de la diode. Ceci peut être utile si on utilise la diode
en petits signaux alternatifs et qu'on a besoin de sa résistance dynamique.
Attention : dans ce cas, on considère que la résistance dynamique est constante, ce qui n'est vrai que si la
variation du signal alternatif est très petite autour du point de polarisation en continu.
III-2-2- Utilisation :
Il existe divers types de diodes correspondant à des technologies différentes. Chaque
technologie présente le meilleur compromis pour une utilisation donnée.
Nous allons balayer les applications des diodes en les classifiant par groupe technologique.
Paramètres essentiels des diodes.
En fonction de l'application considérée, on s'intéressera à certains paramètres des diodes plutôt
qu'à d'autres. Certains paramètres ne sont pas spécifiés pour tous les types de diodes, sauf les
suivants qui sont incontournables :
VF : tension de coude de la diode spécifiée à un courant direct donné.
IF : courant direct permanent admissible par la diode à la température maxi de fonctionnement.
IFSM : courant temporaire de surcharge (régime impulsionnel). En général, pour un courant de
surcharge donné, le constructeur spécifie l'amplitude des impulsions, leur durée, le rapport
cyclique, et dans certains cas, le nombre maxi d'impulsions qu'on peut appliquer.
VR : c'est la tension inverse maxi admissible par la diode (avant l'avalanche).
IR : c'est le courant inverse de la diode. Il est spécifié à une tension inverse donnée, et pour
plusieurs températures (généralement 25°C et Tmax). Ce courant n'est pas seulement celui dû aux
porteurs minoritaires. Il provient aussi des courants parasites à la surface de la puce (le silicium est
passivé par oxydation, et il peut subsister des impuretés qui vont permettre le passage de faibles
courants). Le boîtier d'encapsulation de la puce de silicium est aussi source de fuites.
Ces symboles sont ceux généralement employés par les différents constructeurs, mais il peut y
avoir des variantes, et il est toujours sage de se reporter à la documentation du constructeur pour
savoir comment sont spécifiés les paramètres, et à quoi ils correspondent exactement.
A- Diode de redressement :
Une des principales applications de la diode est le redressement de la tension alternative du
secteur pour faire des générateurs de tension continue destinés à alimenter les montages
électroniques (entre autres).
Il y a deux types principaux de diodes de redressement : les diodes standard pour le redressement
secteur classique, et les diodes rapides pour les alimentations à découpage. Nous étudierons ces
dernières ultérieurement.
Caractéristiques physiques.
Les diodes de redressement standard sont les moins sophistiquées, et ne font l'objet d'aucun
traitement particulier, les conditions d'utilisations étant peu contraignantes.
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Elles ont des tensions VR comprises entre 50 et 1000V environ, et les courants IF vont de 1A à
plusieurs centaines d'ampères.
Avant le système de redressement, on a presque toujours un transformateur qui sert à abaisser la
tension secteur (les montages électroniques fonctionnent souvent sous des tensions de polarisation
allant de quelques volts à quelques dizaines de volts),
B- Diodes de redressement rapide :
Notions de charge recouvrée.
Nous avons déjà mentionné le phénomène de diffusion au travers de la jonction PN : les
électrons majoritaires de la zone N franchissent la jonction et tendent à neutraliser les trous de la
zone P et vice versa.
Quand la jonction est polarisée en direct, le champ électrique externe s'oppose au champ
électrique interne crée par les ions dépossédés de leur électron (zone N) ou trou (zone P) libres, et
permet ainsi une plus grande diffusion des porteurs majoritaires dans la région de type opposé où
ils deviennent minoritaires. Ils se recombinent alors avec une charge de signe opposé.
Ce phénomène de recombinaison n'est pas instantané : les porteurs ont une durée de vie t égale à
environ 1ms dans le silicium. Il existe donc dans le cristal des charges en excès de part et d'autre
de la jonction, à la manière de charges présentes sur les armatures d'un condensateur.
On associe d'ailleurs à cette charge, appelée charge stockée , une capacité appelée capacité de
diffusion .
Si on inverse brusquement la polarité aux bornes de la diode pour la bloquer, ces porteurs vont se
comporter de la même manière que les porteurs minoritaires en régime inverse établi : ils vont être
attirés de l'autre côté de la jonction par le champ électrique externe et vont former un courant
intense qui va s'ajouter au courant de fuite Is, jusqu'à ce que la charge stockée disparaisse.
Ce courant va décroître jusqu'à devenir nul pendant un temps tRR appelé temps de recouvrement
inverse .
La charge stockée est d'autant plus importante que le dopage est important. Le dopage intervenant
directement dans la conductivité du cristal, il se pose le problème pour les diodes de puissance qui
nécessitent une conductivité, et donc un dopage importants.
Pour diminuer la charge stockée dans ces composants, on utilise des pièges recombinants, qui sont
souvent des atomes d'or. Ils diminuent la durée de vie des porteurs, ce qui induit une charge
stockée plus faible.
Utilisation :
Ces diodes sont utilisées en électronique de puissance partout où l'on doit commuter très
rapidement des courants importants. Elles sont le complément indispensable des transistors de
puissance rapides.
Des diodes standard sont inutilisables dans ces cas là car elles sont trop lentes. Lors de la
commutation des transistors, elles se comporteraient comme des courts circuits (pendant le temps
de recouvrement inverse), ce qui entraînerait des surintensités dans les transistors, et leur
destruction plus ou moins rapide.
C- Diode de signal :
Les diodes précédemment étudiées font intervenir des courants et tensions non
négligeables. Les diodes de signal sont utilisées dans des applications à bas niveaux de courants et
tensions.
Caractéristiques physiques.
Les diodes de signal n'ont pas besoin de tenir des fortes tensions inverses : par
construction, elles pourront avoir une capacité parasite faible, et donc fonctionner à des
fréquences élevées.
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Ces caractéristiques sont obtenues grâce à une surface de jonction réduite et un faible
dopage (diminution des charges stockées).
Détecteur de crête :
Ce dispositif permet de mémoriser la valeur crête d'un signal. Il est très utilisé en
instrumentation.
C'est en fait un redresseur simple alternance avec filtrage dont la charge est quasi nulle (aux
courants de fuite près) : la constante de temps de décharge du condensateur est théoriquement
infinie, (très grande en pratique).
Il se charge donc à la valeur crête (moins la tension de seuil de la diode) et reste chargé à cette
valeur.
La résistance R sert à limiter le courant de charge du condensateur à une valeur raisonnable pour
le générateur d'attaque.
Lorsque la tension e est supérieure à la tension aux bornes du condensateur U plus la tension de
coude de la diode, celle ci conduit et charge le condensateur à travers la résistance R.
A noter que tel quel, ce montage est inexploitable pour des petits signaux : la tension mémorisée
par la diode et le condensateur est inférieure à la valeur crête du signal d'entrée de la tension de
seuil de la diode.
Il existe une version améliorée avec amplificateur opérationnel qui pallie cet inconvénient. Il faut
aussi adjoindre à ce montage un système permettant de décharger le condensateur pour faire une
nouvelle mesure.
Thermomètres. Compensation thermique :
C'est une utilisation importante des diodes. La tension directe des jonctions PN en silicium
est affectée d'un coefficient de température négatif (environ -2mV/°C).
Certains montages à transistors nécessitent une dérive minimum en température. On peut arriver à
compenser cette dérive à l'aide d'une diode couplée thermiquement au transistor et placée
judicieusement dans son circuit de base (voir chapitre sur les transistors).
Cette dérive en température peut aussi être utilisée comme thermomètre sur un montage. Lorsque
la diode détecte des températures trop élevées, elle peut commander un circuit qui va (par
exemple) couper certaines fonctions du montage (autoprotection). Cette fonction est très utilisée
dans les composants intégrés.
D- Diodes spéciales :
Diode Zener :
Caractéristique.
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Il concerne la caractéristique inverse de la diode.
En direct, une diode zener se comporte comme une mauvaise diode normale.
En inverse, on fait en sorte que par construction l'effet zener et / ou d'avalanche se produise à une
tension bien déterminée, et ne soit pas destructif. La caractéristique inverse présente alors l'allure
d'un générateur de tension à faible résistance interne.
En général, les constructeurs spécifient :
la tension d'avalanche Vzt pour un courant déterminé Izt. (les valeurs de tension sont normalisées).
à ce point de fonctionnement Vzt / Izt, on donne la résistance dynamique de la diode rzt.
le courant Izm pour lequel la puissance dissipée dans le composant sera le maximum admissible.
on indique aussi le coefficient de variation en température de la tension Vzt.
En dessous de Vzt = 5V, c'est l'effet zéner qui prédomine. Au dessus, c'est l'effet d'avalanche.
L'effet zéner est affecté d'un coefficient de température négatif (Vzt diminue quand la température
augmente), et l'effet d'avalanche d'un coefficient positif. Les diodes ayant une tension Vzt
d'environ 5V ont un coefficient de température nul, car les deux phénomènes se produisent de
manière équilibrée, et leurs effets se compensent.
L'effet d'avalanche est plus franc que l'effet zener, ce qui fait que le coude de tension inverse est
plus arrondi pour les diodes zener de faible tension.
Les diodes optimales en terme d'arrondi de coude et de résistance dynamique ont des tensions
zéner voisines de 6 à 7V.
Schéma équivalent :
Pour simplifier les calculs, et comme pour la diode, on va définir un schéma équivalent
approchant la réalité.
Si on utilise le composant suffisamment loin du coude, le schéma suivant modélise bien le
comportement d'une diode zener :
On définit une tension de coude Vzo, et une résistance interne constante Rz.
Ce schéma sera à utiliser avec beaucoup de prudence sur des zener de faible tension (< 5V) : leur
coude est très arrondi, et la résistance dynamique varie beaucoup avec le courant. Pour des
tensions supérieures à 5V, il n'y aura en général pas de problèmes.
Régulation de tension :
De par leurs caractéristiques de générateur de tension, ces diodes sont idéales pour réguler
des tensions continues ayant une ondulation résiduelle non négligeable (cas des tensions
redressées
filtrées).
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IV- LE FILTRAGE :
Nous avons obtenu à partir d’une source alternative et d’un système redresseur une tension
redressée. Celle-ci n’est pas encore continue.
Pour obtenir une tension (quasi) continue, il suffit de mettre un condensateur en parallèle avec la charge.
Le condensateur est constitué de deux surfaces conductrices rapprochées mais séparées par un
isolant. Lorsqu’on soumet ce composant à une tension différentielle des charges de signes différents vont
s’accumuler sur les deux surfaces sans échange possible.
Son rôle dans l’alimentation est de stocker de l’énergie tant que la tension de la source est
supérieure à celle du condensateur puis de la restituer en essayant de maintenir la tension de la charge
quand la tension de source est inférieure.
Exemple redressement simple alternance.
V- LE REGULATEUR DE TENSION :
Généralement présenter en boîtier TO3, ces composants à 3 pattes sont capable de réguler une
tension avec une variation maximum de +/- 5% avec un courant maximum de 1 A. Leur conception
permet également quelques avantages :
- Limitation interne du courant de sortie, évitant la destruction par court-circuit.
- Limitation en fonction de la température du circuit en cas par exemple de mauvais
refroidissement.
- Facilité d'emploi simplifiée à l'extrême.
Les brochages sont donnés ci-dessous :
Sortie
Entrée
Masse
REGULATEUR Positif
Sortie
Masse
Entrée
REGULATEUR Négatif
La diode branchée en parallèle inverse sur les régulateurs permet la décharge des
condensateurs à l'arrêt, sans passer par les circuits internes des CI, qui pourraient être
endommagés sans cela.
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Il est à noter qu'il est facilement possible d'obtenir une tension d'alimentation non normalisée, avec
un régulateur existant déjà. On place entre la masse et le régulateur une diode Zener qui relève la tension
de sortie.
Exemple :
On désire obtenir une tension de sortie de 10 V régulée :
On prendra alors un 7805 (régulateur positif 5V) et l'on dopera la connexion de masse avec une
zener de 5,1V / 0,5 W, suivant la figure ci-dessous.
E
S
M
VI- CALCUL D’UNE ALIMENTATION +/-12 V-500mA :
Pour réaliser une alimentation il faut partir du cahier des charges. Les tensions de sorties sont de
12 volts et le courant max est de 500mA.
VI-1- Le schéma de principe :
D5
Valeur
1
2
1
230 AC1
1
3
2
D1
Valeur
1
D3
Valeur
3
E Gnd S
2 Reg1
78xx
C3
Valeur
C1
Valeur
+12V
1
C4 Led1
Valeur
Valeur
Led25 mm
R1
Valeur
4
230 AC2
2
Gnd
5
Tr1
Valeur
transfo type 1
C2
Valeur
2
1
D2
Valeur
1
R2
C5
1
Valeur
Valeur
Led2
Valeur
Led25 mm
C6
Valeur
2
D4
Valeur
2
E
1
M
S
3
-12V
Reg2
Série 79
régulateur to220
D6
Valeur
VI-2- Le choix des régulateurs :
Les paramètres qui nous permettent de choisir le régulateur sont la tension et le courant.
Les régulateurs 7812 et 7912 conviennent parfaitement.
La documentation technique nous donne les informations suivantes :
- Tension d’entrée du régulateur : 14.5 à 30 volts
- Chute de tension Vd régulateur : 2.5 volts
- Condensateurs associés : Cin = 0.33µF, Cout =0.1µF.
- Température de jonction : 150°C Max.
Ces informations vont nous aider à déterminer le dissipateur (fin de cours) et la tension d’entrée
mini du régulateur.
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ALIMENTATION STABILISEE +/- 12 volts - 500 mA
Vin = Vout + 2.5 = 14.5 volts.
Pour que le régulateur fonctionne convenablement il ne faut pas descendre sous cette valeur.
La valeur maximum de cette tension est à choisir car elle va fixer l’ondulation de tension et le choix du
dissipateur.
Fixons nous 10% d’ondulation donc Vin max = 14.5 +1.45 =16 volts.
Nous pouvant à présent déterminer le condensateur.
VI-2- Le choix des condensateurs :
Pour cela il faut connaître l’allure de la tension aux bornes du condensateur positif ou négatif.
Reprenons le schéma de principe de l’alimentation et assimilons le régulateur et la charge, à une
résistance.
2
1
230 AC1
1
3
4
230 v
230 AC2
2
2
D1
Valeur
1
D3
Valeur
C1
Valeur
R1
Valeur
C2
Valeur
R2
Valeur
v1
5
Tr1
Valeur
transfo type 1
2
1
2
D2
Valeur
1
D4
Valeur
Lorsque la tension v1 (enroulement 3-4) est positive la diode D1 conduit, Puis quand la tension v1est
négative la diode D3 conduit. Ce n’est donc pas un pont PD2 qui régit le fonctionnement comme on
pourrait le croire par un pont S2. Il en est de même pour l’enroulement 4-5.
Pente 1/RC
Temps de charge
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Temps de décharge
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t (ms)
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Méthode : (EN REGIME ETABLI)
Elle est approximative et donne une valeur du condensateur supérieure à la valeur idéale.
Nous savons que Q = C . U , d'où : U= Q/C
En Ayant une variation ΔU, nous aurons :
ΔU= ΔQ/C
Sachant que Q, la charge, est aussi le produit du courant absorbé par le temps t de décharge, nous aurons :
U=Δt.I/C
Si nous admettons (approximation) que la décharge dure quasiment pendant toute la période, soit environ
10 ms (0,01 seconde), nous aurons :
ΔU= I Δt/C = 0.5 x 0.01/C
Dans cette relation, le ΔU est donné en volts, le courant I en ampères et la capacité C en farads.
Si l'on désire un ΔU maxi de 1,45 V avec un courant moyen de 0.5 A, nous aurons :
C = 0.005/1.45 = 3 mF soit 3000 µF valeur normalisée 3300 µF.
En réalité la charge du condensateur se fait sur ¼ de la période donc la décharge sur ¾ de celle-ci
C vaut donc :
C = 0.5 x 0.0075/1.45 = 2.6 mF soit 2600 µF valeur normalisée 3300 µF.
Il faut choisir la tension de service du condensateur. On le fait par rapport à la tension maximum dont on
dispose soit 16 volts normalisée 25 volts.
VI-3- Choix des diodes :
Les diodes doivent supporter les tensions inverses du montage soit Usecondaire max du
transformateur, le courant fourni moyen ici 0.5 A, et le courant max impulsionnel.
En effet le transformateur doit fournir un courant impulsionnel lors de la charge du condensateur et le
courant moyen (25% de la période).
Tension Vc
Courant Ic
Pente 1/RC
Temps de décharge
Temps de charge
t (ms)
Calcul de Icmax : Icmax = (0.0033 x 1.45)/0.0025 + Ic0= 2.214 A
La tension inverse max que doivent supporter les diodes :
Vin max régulateur + Vseuil diode =16 + 0.7 16.7 volts
Les diodes 1N400X conviennent parfaitement
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VI-4- Le choix du transformateur :
Le transformateur fonctionne donc en mode impulsionnel. Il faut donc calculer la puissance qu’il
fournit pendant ce temps. On dit qu’il fonctionne en mode déclassé.
On admet que le courant impulsionnel est sinusoïdal de valeur maximum 2.214 A
Sa valeur efficace est alors de Ieff = 2.214/ 2 = 1.56 Ampère.
La tension secondaire minimum doit être de : 16.7/ 2 = 11.8 Volts
La puissance est donc de S = 1.56 x 11.8 = 18.5 VA pour un enroulement
Le transformateur sera un 2 fois 12 Volts 37 VA (car deux alimentations).
Remarque :
Ce transformateur à une forte puissance apparente du fait du choix de la capacité, donc de
l’ondulation, pour une ondulation deux fois plus forte nous obtenons une diminution de 50% de la
puissance apparente.
Le choix du transformateur étant fait il faut reprendre la démarche inverse pour valider nos choix.
VI-5- Protection par fusible :
Il est nécessaire de protéger l’alimentation par un fusible. On le place au primaire, son choix se
fait en fonction de la tension et notamment du courant qui est impulsionnel. Il ne faut pas oublier que le
transformateur est une machine statique d’induction et qu’il faut magnétiser le circuit à la mise sous
tension, On préconisera alors des fusibles à action retardée.
VI-6- Calcul du dissipateur du régulateur :
Le choix d’un radiateur (dissipateur) s’impose si la température qu’atteint la jonction dépasse sa
limite, généralement 125°C. Le calcul du dissipateur est basé sur la loi d’ohm thermique qui s »exploite
de la même façon que la loi d’ohm électrique.
On associe :
- La différence de température à une différence de tension.
- La puissance dissipée à un courant électrique.
- La résistance thermique à une résistance électrique.
Soit le schéma suivant :
Loi d'ohm thermique s’écrit alors: TJ - TA = PD RTH JA
TJ : Température de jonction (°C)
TA : Température de l'air ambiant (°C)
RTH JA : Résistance thermique jonction air (°C/W). Dépend du type de boitier
PD : Puissance à dissiper (W)
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Représentation de RTHRA avec dissipateur :
TJ-TA = PD (RTH JB + RTH BR + RTH RA)
RTH JB : Résistance thermique jonction boîtier
RTH BR : Résistance thermique boîtier radiateur. Dépend du type de boîtier. Peut être améliorée
(diminuée) par l'emploi de graisse thermique
RTH RA : Résistance thermique radiateur air. Dépend de la dimension du radiateur
Méthode de calcul :
- Dans un premier temps on calcule la puissance dissipée
Dans notre exemple Pd = 2.5 x 0.5 = 1.25 W
- Calculons RTHRA : RTHRA = (TJ -TA)/Pd on fixe TJ à 100 °C et TA à 25°C
RTHRA= 75/1.25 = 60 °C/W
- Calculons la résistance thermique du dissipateur. Pour cela le constructeur donne la résistance
thermique Jonction/Boîtier pour le composant ici 35°C/W et on trouve dans des tableaux la
résistance thermique boîtier radiateur avec ou sans graisse (0.1°C/W avec graisse).
Donc RTHRA= 60-35-0.1= 24.9 °C/W.
Choix du dissipateur :
Il faut dissiper 24.9 °C/W, donc un dissipateur qui ait une résistance thermique supérieure à cette
valeur. Dans le mémotech le choix se porte sur le modèle WA400-9P.
VI-7- Leds d’indication :
Le calcul de la résistance est classique.
VI-8- Diodes de protection :
On choisira les mêmes diodes que pour le redressement. Elles protègent contre les retours de
courant en aiguillant le courant directement dans le condensateur de filtrage.
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