ALIMENTATION STABILISEE EN TENSION

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ALIMENTATION STABILISEE EN TENSION
Le but de ce TP est de:
- créer un générateur de tension stabilisée pouvant délivrer une puissance de 1W
- caractériser quantitativement cette stabilisation
1 - Alimentation stabilisée par une Zener seule
Montage et analyse du montage
Le montage précédent, pont de Graetz et condensateur de 4,7 ou 10 µF, est considéré comme un
quadripôle Q l.
A l'entrée de Q l, on applique la tension de sortie du secondaire d'un transformateur 220 V / 24 V. A
la sortie du quadripôle, on place en série une diode Zener régulatrice BZX d'une dizaine de volts et
sa résistance de protection R.
Figure 1 - Alimentation stabilisée par une Zener seule
Sachant que la diode ne peut pas dissiper une puissance supérieure à 1,3 watt, quelle est la valeur
minimale à donner à la résistance de protection R (résistance radio 0,25 ou 0,50 watt) ? Si on donne
à R la valeur 2KΩ, sous quelle tension maximale faut-il alimenter ce circuit?
Le secondaire du transformateur délivre des tensions de 3V, 6V, 9V, 12V, 18V et 24V, déterminer
l'intervalle dans lequel doit se situer la valeur de la résistance de charge Rco pour que cette
alimentation réalisée avec une diode Zener de 10 volts fournisse toujours une tension stabilisée
(voir annexe).
Mesures
- Prendre pour Rc une valeur égale à 2Rco. Mesurer l'influence sur la tension de sortie Us
(composante continue et composante variable) des variations de la tension d'entrée (changer la
sortie du transformateur).
- Utiliser la sortie 18 V du générateur alternatif, mesurer l'influence sur les tensions Us et Ue
(composante continue et composante variable) des variations de la résistance de charge.
Interprétation
- Rechercher expérimentalement la valeur minimale de la résistance de charge en dessous de
laquelle l'alimentation n'est plus stabilisée. Comparer les valeurs théorique et expérimentale
- Caractériser quantitativement la stabilisation. En déduire la résistance dynamique de la diode
Zener.
- Tracer sur un même graphique les courbes expérimentales et théoriques donnant l'évolution de la
partie continue et de la partie variable de la tension de sortie en fonction de la résistance de charge.
Alimentation stabilisée en tension 1
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble
2 - Alimentation continue réalisée avec une Zener et un transistor
Montage et analyse
Pour diminuer la sensibilité de l'alimentation à la charge, réaliser le montage ci-dessous. ( On utilise
un condensateur de 100µF)
Figure 2 - Alimentation stabilisée par une Zener et un transistor
La résistance Rb vaut 2,2 kΩ ; Rl vaut 1 kΩ pour le transistor 2N 2219 A et 100 Ω pour le
transistor BD 137 ( ce sont des NPN). Rc prendra différentes valeurs.
Calculer, en vous référant à l'annexe, les caractéristiques de cette alimentation en fonction des
valeurs des paramètres.
Mesure
Déterminer expérimentalement les caractéristiques de cette alimentation.
- Rechercher le domaine où cette alimentation est stabilisée.
- Mesurer la partie continue et variable des tensions de sortie et d'entrée..
- Déterminer son taux de stabilisation.
- Déterminer la puissance maximale que peut délivrer cette alimentation stabilisée.
Comparer ces valeurs aux valeurs théoriques et à celles obtenues avec le montage précédent.
Conclure.
Prolongement
Remplacer la partie régulation du montage précédent par un régulateur du commerce et comparer
rapidement les performances.
Alimentation stabilisée en tension 2
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble
Annexe - Alimentations stabilisées
1 - Alimentation stabilisée en tension réalisée à l'aide d'une Zener seule
1-1) Tension de sortie et domaine de fonctionnement en alimentation stabilisée.
On suppose tout d'abord qu'il n'y a pas dans ce circuit de diode Zener. (sur le schéma : interrupteur
ouvert.) La tension aux bornes de la résistance Rc est
Rc
U(Rc ) = Ue
R +Rc
Si l'on ferme l'interrupteur trois situations peuvent se présenter.
- Soit U(Rc) < Uz : La tension Zener n'est pas atteinte. Aucun courant ne traverse la diode.
La diode ne peut pas jouer un rôle de régulateur. La tension de sortie est égale à U(Rc )
- Soit U(Rc) > Uz : La Zener maintient la tension à la valeur Uz. La tension de sortie est
égale à Uz
- Soit U(Rc) = Uz : On peut calculer La valeur Rco de la résistance Rc telle que cette
condition soit satisfaite.
Rc
Uz
soit
U z = Ue
R c0 = R
R + Rc
Ue −U z
1-2) Puissance maximale
Lorsqu'elle est stabilisée cette alimentation délivre une tension constante et une puissance qui sera
d'autant plus importante que la charge sera plus faible.
2
Uz
U (U − U z )
soit
Pmax =
Pmax = z e
Rc0
Rc0
1-3) Ondulation et taux de stabilisation
La charge et la décharge du condensateur engendre une ondulation de la tension d'entrée et donc
une ondulation de la tension aux bornes de la diode Zener. Le courant de décharge est presque
constant et il est le même quelque soit la valeur de la résistance de charge.
(U − U z )
Ic = e
R
Ce qui entraîne une variation de la tension aux bornes du condensateur
∆U e =
(Ue − Uz ) ∆t
CR
et une variation du courant qui traverse la résistance R
Dans le cas où la résistance Rc est grande, la quasi totalité du courant traverse la diode Zener. En
modélisant la caractéristique de cette diode par une portion de droite de résistance dynamique ρ, on
peut écrire alors
∆U z =
ρ
∆U e
ρ+ R
Le rapport a, des variations des tensions Uz et Ue, caractérise la stabilisation de la tension liée à
l'utilisation conjointe de la diode Zener et de sa résistance de protection dans ce circuit
a=
ρ
ρ+ R
Si ρ est de quelques dizaines d'ohms, R de quelques milliers d'ohms, et si l'ondulation de Ue est
d'une dizaine de volts, l'ondulation de Uz ne sera que de 0,1 V.
Alimentation stabilisée en tension 3
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier Grenoble
Pour mesurer a, il faut faire en sorte que les variations de Ue et de Uz puissent avoir des valeurs
mesurables. On utilisera des condensateurs de faible capacité (10 µF)
2 - Alimentation stabilisée en tension réalisée à l'aide d'une diode Zener et d'un
transistor
2-1) Tension délivrée
On s'intéresse à la portion de circuit contenant des composants aux bornes des quelles la tension
reste constante et indépendante de l'intensité des courants qui les traversent. On s'intéresse à la
portion de circuit contenant la diode Zener, la résistance de charge, la base et l'émetteur du
transistor ce qui permet d'écrire l'égalité
Us = Uz - UCE
Donc la tension de sortie peut être constante et sa valeur est alors à peu près égale à la tension
Zener Uz diminuée de 0,6 V.
2-2) Domaine où cette alimentation est stabilisée
Lorsqu'une résistance est branchée aux bornes de cette alimentation stabilisée, le courant qui
traverse le transistor est constant même si la tension à ses bornes varie du fait de la charge et de la
décharge du condensateur. Lorsque la tension aux bornes du transistor devient nulle, le transistor ne
peut plus assurer la stabilisation de la tension, ce qui se traduit par la condition
UCE > 0
ce qui entraîne
Ue - Us= Ue - Uz + 0,7= UCE > 0
et cette condition doit être satisfaite à tout moment.
Les variations de la tension d'entrée sont liées à la décharge du condensateur dans la résistance de
charge principalement. On peut déterminer l'incidence de ce courant sur les variations de tensions
aux bornes du condensateur compte tenu de sa capacité
∆U e =
∆Q I ∆t (Uz − Useuil )
=
=
∆t > (U e − U )
C
C
C Rc
On en déduit la valeur minimale de la résistance pour laquelle cette relation est satisfaite.
R'c 0 =
(Uz −U seuil ) ∆t
C (U e − Uz + 0,7)
On peut rendre cette résistance beaucoup plus petite que la résistance Rco calculée dans la fiche
précédente en utilisant un condensateur de grande capacité.
Alimentation stabilisée en tension 4
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