les alimentations a courant continu - 2

LES ALIMENTATIONS A COURANT CONTINU (suite) (par ON5HQ)
Nous avons vu dans l'article précédent que le courant dans les diodes est composé d'impulsions d'une
amplitude égale à plusieurs fois la valeur du courant continu de sortie de l'alimentation.
La diode doit donc supporter ce courant répétitif de pointe, et en général, les diodes de redressement
sont prévues pour supporter cette intensité répétitive de pointe (IFRM) de l'ordre de 10 fois le courant nominal
dans un tel régime impulsionnel. Ce courant dépend de la valeur du condensateur, et donc avec le temps de
passage du courant et de le tension d'ondulation (ce courant de passage est d'autant plus grand que le temps de
passage est petit, c'est à dire que le condensateur de filtrage est de forte valeur, ce qui à pour effet une faible
tension d'ondulation) et des impédances en série avec la diode (le courant de pointe diminue avec l'impédance
en série avec les diodes).
Dans les petites alimentations (I c max = 1A), on peut estimer que l'impédance du transformateur limite
ce courant à une valeur maximale environ 3 fois la valeur du courant continu de sortie.
Quand au transformateur, il est parcouru par le même courant impulsionnel que celui de la diode, dont la
valeur efficace est supérieure à celle du courant de sortie de l'alimentation, et c'est la raison pour laquelle il est
nécessaire de choisir un transformateur de puissance légèrement supérieure à la valeur Uc • Ic pour les petites
alimentations.
La régulation :
La fonction d'un régulateur de tension est de convertir une tension ayant une certaine ondulation et
instabilité en une tension particulièrement stable et parfaitement continue. Il doit maintenir ces conditions de
stabilité dans une large gamme de variation du courant de charges mais également de fluctuations de la tension
d'entrée. Le schéma fonctionnel d'un régulateur se caractérise par une boucle de contre réaction : le
fonctionnement est celui des systèmes asservis ou systèmes bouclés.
On distingue deux grands principes de régulation : la régulation linéaire et la régulation à découpage. La
régulation à découpage ne sera pas étudiée dans cet article, car cela demanderai un développement trop
important, mais elle pourrais être traitée dans ces pages si vous le désirez
La régulation linéaire série :
Le principe :
L'élément de régulation est placé en série
avec la charge. La tension de sortie est régulée par
cet élément qui est en général un transistor dont la
conduction (la tension VCE et le courant IC) varie
constamment de façon à maintenir VS constante.
Une modification des caractéristiques
d'entrée (source) ou de sortie (charge) se traduit une
modification de la tension entre émetteur et
collecteur du transistor de régulation (encore appelé
transistor ballast) VCE = VE – VS
Le rendement maximal est de l'ordre de 60% et il diminue lorsque le courant débité augmente. Ce type
de régulateur est très utilisé car il possède comme avantage de réagir rapidement aux perturbations dues à la
charge. L'ondulation en sortie est très faible.
Les régulateurs intégrés de type série :
Les régulateurs fixes :
Les tensions utilisées dans les montages électroniques sont très souvent des tensions standard tel que 5,
9 ou 12 V , ce qui à conduit les constructeurs à concevoir des circuits intégrant tous les composants d'un
régulateur de tension fixe et sont disponibles pour des tensions de sorties positives (>0) ou négatives (<0). Il
s'agit de composants à trois bornes pour lesquels aucuns composant externe n'est indispensable. Il suffit de
relier l'entrée E à une source de tension continue de valeur adaptée (c'est en général un redresseur avec filtre
capacitif, mais cela peut être aussi une alimentation continue déjà disponible), la sortie S à la charge et la borne
commune REF à la masse.
La valeur minimale de la tension d'entrée
que l'on peut utiliser pour obtenir un
fonctionnement correct est supérieure de 2 à 3
volts à la tension nominale de sortie du régulateur.
Il est parfois utile d'ajouter quelques
composants supplémentaires. Le condensateur C1
est nécessaire si le régulateur est éloigné du filtre
capacitif (à partir de 5 à 10 cm); les constructeurs
indiquent l'ordre de grandeur recommandé pour
cette capacité (0,22 ou 0,33 µF pour la série 78XX).
Le condensateur C2 améliore le temps de réponse
du régulateur. Sa valeur est également précisée
dans les spécifications du circuit (0,1 µ pour la série
78XX).
Ce condensateur n'est pas nécessaire à la stabilité du système (contrairement à ce qui se passe pour les
régulateurs de tension négative). Les deux condensateurs doivent êtres implantés au plus près des connexions
de circuit intégré.
On peut également avoir besoin de diodes de protection. La première, D1 protège le régulateur contre les
effets d'une tension qui serait appliquée en sortie ou pour une charge fortement capacitive lors de la coupure de
l'alimentation. D2 protège le régulateur en cas d'application d'un tension inverse en sortie.
Dans le cas d'un régulateur pour tension négative, les diodes D1 et D2 sont bien évidemment inversées.
La précision sur la tension de sortie est comprise entre 0,5% et 10% suivant les modèles
Régulateurs variables :
Principe :
Un simple diviseur résistif est ajouté au circuit intégré; La source de référence maintient une tension Vr
imposée entre les bornes S et REF. Si le courant Ir est négligeable, le tension de sortie vaut ;
Vs = (1 + R1 / R2) • Vr
La tension de sortie, donc Vs, est ajustée par les
résistances R1 et R2, dont l'une peut être une résistance
ajustable. Le courant Iadj est très faible et peut être
négligé.
Les éléments de protection et de stabilité (D1,
D2, C2, C3) peuvent êtres nécessaires pour ce montage
également. Le condensateur CREF assure un filtrage
supplémentaire de VREF.
La résistance R1 peut être remplacée par des
diodes en série ou une diode zéner.
Régulation parallèle ou schunt :
Dans ce montage, la chute de tension se fait aux bornes d'une résistance, tandis que un transistor externe
branché entre les bornes de sortie effectue le
régulation en délivrant un courant plus ou moins
élevé en fonction de la charge ou de la tension
d'entrée, en faisant varier la chute de tension aux
bornes de la résistance.
Malgré son rendement médiocre (perte de
puissance dans la résistance série identique à celle
d'un transistor série, mais perte supplémentaire dans
le transistor schunt), le régulateur parallèle est utilisé
dans certaines applications; Il est protégé
automatiquement contre les courts-circuits et est moins sensible aux variations de la tension d'entrée et ne
répercute pas les variations du courant de charge sur le générateur d'entrée.
Dissipation thermique des régulateurs :
La puissance est limitée de façon interne, mais ce n'est pas pour autant que l'on peut obtenir le courant
maximal dans n'importe quelles conditions. En effet, la limitation de puissance dépend du dissipateur
thermique sur lequel est placé le régulateur (ou le transistor de puissance). La température de jonction d'un
semi-conducteur est limitée à 125°C en général.
La puissance dissipée est fonction du courant débité, traversant le régulateur ou le semi-conducteur, et
de la chute de tension dans le régulateur.
P = (Ue – Us) • Ic
Il est donc nécessaire de choisir le dissipateur adapté aux conditions de fonctionnement imposées par le
circuit.
Pour la détermination du refroidisseur, on se référera à l'article paru dans "flash informations" et
disponible sur le site web de BTS ; "la dissipation de chaleur dans les transistors".
Voici toutefois un bref rappel:
Modèle thermique sans radiateur :
Loi d'hom thermique :
Tj – Ta = PD • RTH JA
Tj : Température de jonction (°C)
Ta : Température de l'ai ambiant (°C)
RTH JA : Résistance thermique jonction – air (°C / W)
Dépend du type de boîtier
PD : Puissance à dissiper (W)
Modèle thermique avec radiateur :
Loi d'hom thermique :
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 et peut être améliorée
(diminuée) par l'emploi de graisse thermique.
RTH RA = Résistance thermique radiateur – air
Dépend de le dimension du radiateur.
Application :
Calcul d'une alimentation pouvant délivrer 1A max sous 17V
Pour cette tension particulière (non standardisée dans le gamme des régulateurs à tension fixe de sortie),
il faut utiliser un LM117 (régulateur variable).
Etant donné l'intensité de 1A, le choix se porte sur un boîtier TO3 de caractéristiques : Tth JA . 35°C/W,
Rth JB = 2,3°C/W, Rth BR = 0,6°C/W.
On se fixe une tension d'ondulation max de 5V et un fonctionnement à la température ambiante max de
25°C avec une température de jonction max de 110°C.
La tension aux bornes du régulateur LM317 doit être au minimum de 3v, ce qui nous donne une tension
maximum en charge, aux bornes du condensateur de filtrage, de 17 + 3 + 5 = 25V.
La chute de tension dans les diodes (2 en série) peut être estimée à 2V (pendant la pointe de courant) et
donc, U secondaire max = 25 + 2 = 27V max en charge, et donc, un U secondaire efficace en charge de :
Ueff = 27 / √2 ≈ 19V.
Un transformateur délivrant 20V en charge convient donc pour cette application.
Calcul de C :
C = Is max / 2 • f • ∆U = 1 / 2 x 50 x 5 = 0.02F = 2000 µF, soit la valeur normalisée de 2200 µF.
Calcul de R2 si on choisit R1 = 270 Ω :
Vs = Vref • (1 + R2 / R1) =+ Iadj • R2
Iadj peut en général être négligé et de la formule de base, on tire : (Vs / Vref) – 1 = R2 / R1
R2 = R1 • ((Vs / Vref ) – 1) = 270 x ((17 / 1.25) – 1) = 3322 Ω, soit 3,4 kΩ.
Puissance dissipée par le régulateur :
La tension max aux bornes du condensateur C1 vaut : (Vd • √2) – 2 • Vd.
Avec une tension secondaire de 20Veff et en considérant Vd = 1V par diode;
Vc = (20 x √2) – 2 = 26,3V.
La tension max aux bornes du régulateur = 26,3 – 17 = 9,3 V (il serait plus exact de considérer la
tension moyenne, mais en prenant la tension max, on y introduit une marge de sécurité)
La puissance dissipée est donc : U • Ic = 9,3 x 1 = 9,3 W soit pratiquement 10W
A la température ambiante de 25°C et sans refroidisseur, la température de jonction atteint :
25 + (35 x 10) = 375°C, très supérieure à la valeur permise de 125 °C.
La valeur max de la résistance thermique entre jonction et ambiance, Rth JA, avec une température de
jonction max de 110°C vaut : Rth JA max = (110 – 25) / 10 = 8,5 °C/W.
Le LM117 sera monté sur un refroidisseur de :
Rth RA = Rth JA max - Rth JB – Rth BR = 8,5 – 2,3 – 0,6 = 8,5 °C/W
La puissance du transformateur sera de 25 à 30 VA à cause de la forme du courant dans ses
enroulements et pour pouvoir sans crainte supporter un régime continu à un courant de sortie de 1A.
Le pont redresseur doit bien sur supporter un courant de 1A.
Le schéma définitif, en tenant compte des remarques précédentes concernant le sécurité est :
Ces deux articles sur les alimentations à courant continu ne sont qu'un aperçu d'un vaste sujet, et n'ont
d'autres prétentions que d'aborder l'essentiel, mais les informations s'y trouvant sont suffisantes pour
l'élaboration des alimentations de petite puissance à partir des régulateurs intégrés classiques.
Nous pourrions encore parler de la protection en courant des alimentations, des dispositifs à composants
discrets (pas désuets du tout) permettant la construction d'alimentation en utilisant "les fond de tiroirs", des
alimentations pré régulées par des dispositif à découpage et des alimentations à découpage (moins complexe
qu'il n'y parait !!!), de la protection des alimentations, ……
Si il y a de l'intérêt pour cette matière, pourquoi pas un nouvel article ???