5. Les régulateurs monolithiques

Royaume du Maroc
OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU TRAVAIL
MODULE 04
Circuits Électroniques
Résumé de Théorie
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Première Année
Programme de Formation des Techniciens Spécialisés en
Électronique
DIRECTION DE LA RECHERCHE ET INGENIERIE DE LA FORMATION
Septembre 1995
TABLE DES MATIÈRES
5. LES RÉGULATEURS MONOLITHIQUES
5-1
5.1 Introduction
5-1
5.2 Détermination de la tension d'entrée
5-2
5.3 Determination du radiateur a installer
5-3
5.4 Exemple de conception complete d'une alimentation régulée
5-5
5.5 Régulateur monolithique ajustable
5-6
5.6 Exercices
5-11
Résumé de Théorie
Circuits Électroniques
5. Les régulateurs monolithiques
5.1 Introduction
Les divers organes et fonctions qui composent les appareils électroniques modernes sont
de plus en plus modulaires. L'alimentation de ces appareils a fait l'objet de beaucoup
d'efforts, de miniaturisation et de simplification. Nous avons vu dans les modules
précédents comment transformer une source d'énergie alternative en une source d'énergie
positive. Cependant, une telle alimentation est à la merci des fluctuations de la tension du
secteur et des soubresauts de l'appareil lui-même. Il est donc important d'obtenir une
tension stable à la sortie du bloc d'alimentation, indépendante des variations de son
environnement.
Suite au redressement et au filtrage, on installera donc un régulateur de tension.
Auparavant, cette fonction électronique était plutôt complexe à réaliser et demandait de
l'espace. Aujourd'hui, de simples circuits intégrés à trois broches, et de dimensoins très
réduites, ont pris la relève.
Plusieurs circuits intégrés à trois broches (entrée, point commun et sortie) sont
disponibles sur le marché dans une grande gamme de tensions et de courants de sortie. Ils
offrent une façon simple et peu dispendieuse de construire une source d'alimentation
stable. Leurs principaux avantages sont les suivants.
- Ils sont facile d'usage.
- Ils ne demandent que peu de composants externes.
- Ils sont fiables.
- Ils possèdent une protection thermique interne.
- Ils possèdent une protection contre les courts-circuits.
Ils ont aussi des désavantages. Ils ne peuvent pas tous être peaufinés et leur précision peut
varier jusqu'à 5% par rapport à la valeur nominale. Les valeurs de tension de sortie
disponibles sont limitées. La limite en courant de ces régulateurs n'est pas ajustable; il
faut donc considérer les carractéristiques de ceux-ci. Si on essayait d'augmenter leur
capacité de courant maximum de sortie, cela demanderait un réseau externe encombrant.
Le régulateur de tension positive à trois broches de la famille 7800 est un exemple de
régulateur monolithique. La Figure 5-1 montre l'application standard d'un tel régulateur.
+ U dif f érentielle -
78XX
U entrée
(en prov enance
du redressement
et du f iltrage)
Ce
Cs
U sortie
1uF
tantale
0,33uF
céramique
Figure 5-1
-Ce élimine l'effet inductif des longs conducteurs.
-Cs améliore la réponse en régime transitoire.
Ces régulateurs sont préréglés à 5, 6, 8, 12, 18 ou 24 volts. Par exemple, un 7805 est un
régulateur à 5 volts et un 7824 est un régulateur à 24 volts.
Les Régulateurs Monolithiques
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5.2 Détermination de la tension d'entrée
Ces régulateurs, jusqu'à un certain point, se protégent eux-même. Ils contiennent une
protection électronique considérant la température, la tension différentielle (U entrée - U
sortie) et le courant débité à la sortie (voir la Figure 5-2). Avec l'ajout d'un radiateur
thermique approprié, ces circuits intégrés peuvent fournir des courants au-delà de
l'ampère.
Courant de sortie maximal (ampères)
3
2
Tj = 25°C
1
Tj = 125°C
6
12
18
24
30
U entrée - U sortie : Tension différentielle entrée-sortie (volts)
Figure 5-2
La Figure 5-2 est valable seulement pour la série 7800 (positifs) et 7900 (négatifs).
Remarquez que les courbes débutent à 3 volts. Ceci veut dire que la tension différentielle
minimale devant être présente est 3 volts; c'est le minimum nécessaire afin d'assurer le
fonctionnement du régulateur intégré. Par exemple, un régulateur 7805, possédant une
tension U sortie de 5 volts, doit avoir comme tension minimale d'entrée pour fonctionner,
5 volts + 3 volts, c’est-à-dire 8 volts. Le maximum est fixé à 35 volts pour tous les
régulateurs de cette famille, sauf le 7824 et 7924 pour qui le maximum est 40 volts.
Sur la Figure 5-2, l'inscription Tj signifie la température de jonction, c’est-à-dire la
température à l'interne de la puce atteinte lors de son fonctionnement. Vous remarquez
aussi deux courbes: une à Tj = 25°C et l'autre à Tj = 125°C. Il est utopique de dire qu'il
est possible de conserver la température interne de la puce à 25°C. On pourrait peut être
remplir son bain de glace et boulonner le régulateur à celui-ci. Mais enfin!
La courbe à considérer sérieusement est celle pour laquelle la température indiquée est
125°C. C'est la température interne qu'il ne faut pas dépasser. Ceci implique, si le
régulateur a dissipé une certaine puissance, l'installation d'un radiateur thermique.
Les Régulateurs Monolithiques
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# 1 - Exemple
Question
En utilisant la courbe où Tj vaut 125°C, trouvez la tension d'entrée maximale applicable à
un régulateur 7805 pour obtenir un courant disponnible de 750mA.
Solution
À la Figure 5-2, 750mA sur la courbe Tj = 125°C coïncide avec 21V.
Uentrée = 5V + 21V = 26V.
# 2 - Exemple
Question
En utilisant la courbe où Tj vaut 125°C, trouver la tension d'entrée maximale applicable à
un régulateur 7812 pour obtenir un courant disponnible de 1,5 A.
Solution
A la Figure 5-2, 1,5A sur la courbe Tj = 125°C coïncide avec 9V.
Uentrée = 12V + 9V = 21V.
En examinant la Figure 5-2, on peut aussi remarquer une région de fonctionnement
idéale. Cette région se situe entre 6V et 9V; on y obtient le maximum en disponibilité de
courant. Il faut aussi laisser de la place au ronflement de la tension d'entrée; ce qui
justifie la marge inférieure de 6V. Aussi il est sage de garder la tension différentielle le
plus bas possible de façon à limiter la dissipation de puissance du régulateur.
5.3 Determination du radiateur a installer
Ces régulateurs se présentent installés dans plusieurs sortes de boîtiers différents. Les
deux principaux boîtiers dans lesquels on les retrouve sont le TO-220 et le TO-3. Ces
boîtiers sont pourvus d'une fixation en métal permettant l'installation d'un radiateur
thermique.
La dimension physique du radiateur à employer est déterminée par la quantité de chaleur
que le régulateur aura à dégager; il faut donc connaître la puissance à dissiper.
Pd = U différentielle x I sortie
On doit ensuite consulter les caractéristiques du régulateur employé afin de trouver sa
résistance thermique jc. Celle-ci est exprimée en °C/W. Dans un boîtier TO-220, elle
vaut 5°C/W et dans un boîtier TO-3, elle vaut 5,5°C/W.
Si, par exemple, un régulateur installé dans un boîtier TO-220 avait à dissiper 10 watts,
quelle serait la résistance thermique du radiateur à installer?
Les Régulateurs Monolithiques
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On fait premièrement le dessin suivant
Tj max = 125°C
jc
5°C/W
T = 100°C
10W
sa
?°C/W
Ta = 25°C
Circuit
thermique
Figure 5-3


Ta = température ambiante
jc = résistance thermique de la puce au boîtier
sa = (le radiateur) = résistance thermique du boîtier à l'ambiant
L'augmentation de température maximale permissible dans ce cas est:

T = 125°C - 25°C = 100°C.
La résistance thermique totale maximum sera:
ja = 100°C / 10W = 10°C/W
La résistance thermique du radiateur doit donc être au maximum:
sa = 10°C/W - 5°C/W = 5°C/W
Il faut ensuite choisir dans un catalogue (Thermaloy par exemple) le radiateur approprié.
# 1 - Exemple
Question
Installez un régulateur (boîtier TO-220) ayant une tension de sortie de 12V et fournissant
un courant de 500mA.
Tj max = 125°C
jc
5°C/W
T = 100°C
4W
sa
?°C/W
Ta = 25°C
Figure 5-4
U entrée = 20V
Ta = 25°C
jc = 5°C/W
Tj max = 125°C
a) U différentielle = ?
b) Pd = ?
c) sa du radiateur = ?
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Solution
U différentielle = U entrée - U sortie = 20V - 12V = 8V
Pd = 8V x 500mA = 4W
T = 125°C - 25°C = 100°C

ja = 100°C / 4W = 25°C/W

sa = 25°C/W - 5°C/W = 20°C/W
Il est à remarquer que plus sa est grand, plus le radiateur est petit. Un radiateur de faible
dimension a une grande résistance thermique et, à l'inverse, un radiateur de grande
dimension a une résistance thermique faible.
5.4 Exemple de conception complete d'une alimentation régulée
Données
U sortie = 5V
U différentielle = 9V
Ta = 25°C
a)
b)
c)
d)
e)
f)
I sortie = 750mA
er = 3,2V c.à c., 100Hz (redressement avec pont)
Boîtier = TO-220 (7805)
Pd = ?
sa du radiateur
C filtrage
U entrée max
es du transformateur à utiliser
Puissance tranformable du transformateur en VA
Solution
Pd = 9V x 750mA = 6,75W
sa = 100°C / 6,75W - 5°C/W = 9,8°C/W
Tj max = 125°C
jc
5°C/W
T = 100°C
6,75W
sa
9,8°C/W
Ta = 25°C
Figure 5-5
C filtrage = 750mA / (3,2Vc.à c. x 100Hz) = 2344µF
Umax = U entrée + er / 2 = 5V + 9V + 3,2V / 2 = 15,6V
es du transformateur = (15,6V + 1,4V) / 1,414 = 12V rms
Puissance du transformateur = P total = U entrée x I sortie =
(9V + 5V) x 750mA = 10,5VA
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12V
10,5VA
9,8°C/W
7805
TO-220
220V
50Hz
2344uF
0,33uF
1uF
Figure 5-6
5.5 Régulateur monolithique ajustable
Il existe une solution au désavantage des régulateur fixes à trois broches; une famille de
régulateurs ajustables existe. Le LM317, un régulateur positif et le LM337, un régulateur
négatif, ont cette propriété.
Parfois, le besoin d’une tension de sortie non-standard se fait sentir. Ou peut-être, désirezvous une tension de sortie ajustée plus précisément que celle d’un régulateur fixe?
Jusqu’à maintenant vous avez été choyés par les régulateurs fixes à trois broches. Et bien,
voici le régulateur ajustable à trois broches!
Le LM317 et le LM337 sont capables d’un courant de sortie de l’ordre de 1,5 ampères et
d’une gamme de tensions s’étendant de 1,25 volt à 37 volts. Ces régulateurs sont
exeptionnellement faciles à utiliser. Ils n’ont besoin que de l’ajout de deux résistances
externes. Comme dans le cas des régulateurs fixes, ils contiennent une protection en
courant, en tension et une protection thermique les rendant durs à cuire.
On les retrouve aussi dans les mèmes boîtiers que les régulateurs fixes: le TO-220 et le
TO-3. La Figure 5-7 montre l’application standard.
+ U dif f érentielle -
LM317
U entrée
(en prov enance Ce
du redressement
et f iltrage)
R1
240R
U sortie
+
1,25V
Cs
0,1uF
céramique
10uF
R2
Figure 5-7
U sortie = 1,25V x (1 + R2 / R1)
La tension de sortie est ajustée par R2. Lorsque R2 est au minimum (0), la tension de
sortie est à son minimum, c’est-à-dire 1,25 volt. Le choix de R1 (240 vient du fait que
ce régulateur exige un courant minimum de sortie de 5mA pour fonctionner. R1 = 1,25V /
5 ma = 250
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La résistance thermique de cette puce est 2,3°C/W pour le boîtier TO-3 (LM317K) et
5°C/W pour le boîtier TO-220 (LM317T).
La Figure 5-8 présente la courbe du courant maximum de sortie en fonction de la tension
différentielle (Ue - Us) du régulateur. On peut remarquer que la zone idéale se trouve
autour de 10 volts.
Courant de sortie maximal (ampères)
3
2
1
Tj = 125°C
10
20
30
40
U entrée - U sortie : Tension différentielle entrée-sortie (volts)
Figure 5-8
Le manufacturier propose des améliorations. Le circuit standard (Figure 5-7) fonctionne
très bien. Cependant, l’addition d’un condensateur de 10µF améliore le ronflement
présent à la sortie de 15 dB (facteur de 5 en tension). Il faut cependant ne pas oublier
d’inclure une diode de sécurité afin de décharger ce condensateur. La Figure 5-9 montre
ces améliorations.
+ U dif f érentielle -
LM317
U entrée
(en prov enance
du redressement
et f iltrage)
U sortie
R1
240R
Ce
Cs
0,1uF
R2
10uF
10uF
Figure 5-9
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page 5-7
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# 1 - Exemple
Question
a) Trouvez à la Figure 5-9 la valeur de la résistance R2 de sorte que la tension de sortie soit
10 volts.
b) Si U entrée vaut 20 volts, trouvez le courant de sortie maximum selon la Figure 5-8.
Solution
VR1 = 1,25V
IR1 = IR2 = 1,25V / 240 = 5,21mA
UR2 = 10V - 1,25V = 8,75V
R2 = 8,75V / 5,21mA = 1,68k
U différentielle = 20V - 10V = 10V
I sortie max = 1,8A (Figure 5-8)
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# 2 - Exemple
+ U dif f érentielle sa
LM317
TO-3
U entrée = 22V
R1
240R
Ce
1A
+
1,25V
-
U sortie = 15V
Cs
0,1uF
10uF
R2
Ta = 25°C
Figure 5-10
Question
a) R2 = ?
b) U différentielle = ?
c) Pd = ?
d) sa = ?
Solution
UR2 = 15V - 1,25V = 13,75V
IR2 = IR1 = 1,25V / 240 = 5,21mA
R2 = 13,75V / 5,21mA = 2,64k
U différentielle = U entrée - U sortie = 22V = 15V = 7V
Pd = 7V x 1A = 7W
jc = 2,3°C/W (TO-3)
ja = 100°C / 7W = 14,3°C/W
sa = 14,3°C/W - 2,3°C/W = 12°C/W
Tj max = 125°C
jc
2,3°C/W
T = 100°C
7W
sa
12°C/W
Ta = 25°C
Figure 5-11
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# 3 - Exemple
Ta = 25°C
R2
Ce
Cs
R1
240R
0,1uF
U entée = -22V
+
1,25V
-
10uF
U sortie = -18V
LM337
1A
+ U dif f érentielle -
Figure 5-12
Question
a) R2 = ?
Solution
IR2 = IR1 = 1,25V / 240 = 5,21mA
UR2 = 18V - 1,25V = 16,75V
R2 = 16,75V / 5,21mA = 3,22k
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5.6 Exercices
# 1 - Quelle est la région idéale de fonctionnement d'un régulateur intégré de type 7800 ou
7900? (Figure 5-2)
# 2 - À la Figure 5-2, quelle est la tension différentielle maximale applicable à un 7805 de
sorte qu'il puisse fournir un courant de 1 ampère avec une température interne de
125°C?
# 3 - Suite au #2, quelle puissance aura à dissiper le régulateur?
# 4 - Un régulateur de type 7812 (TO-220) est appelé à fournir un courant de 1 ampère avec
une tension d'entrée moyenne de 20V. Trouvez la résistance du radiateur à installer de
sorte que la température interne du régulateur ne dépasse 125°C (Ta = 25°C). Dessinez
le circuit thermique.
#5-
Examinez le circuit suivant:
Ta = 25°C
er = 2V c.à c.
9V
10VA
sa
Ue
7905
TO-220
220V
50Hz
C f iltrage
750mA
1uF
a) Ue moyen = ?
b) Pd = ?
c) sa = ?
d) C filtrage = ?
e) Est-ce que le transformateur est suffisamment puissant?
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# 6 - Faites la conception d'une alimentation régulée selon les données suivantes; faites le
diagramme schématique.
U sortie = 12V positif
I sortie = 800mA
U différentielle = 7V
er = 3Vc.à c., 100Hz, redressement en pont
Ta = 25°C
Le boîtier du régulateur est un TO-220.
a) Pd = ?
b) sa = ?
c) C filtrage = ?
d) Ue max = ?
e) es du transformateur à utiliser = ?
f) Puissance transformable du transformateur = ?
#7+ U dif f érentielle -
sa
1A
LM317
(TO-220)
U entrée = 21V
U sortie
R1
120R
Ce
Cs
0,1uF
10uF
R2
10uF
1k03
a) U sortie = ?
b) Pd = ?
c) sa = ?
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