1. PRINCIPES THEORIQUES

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1 T.P. d'electronique 3 ème année REGULATEURS A TRANSISTORS Le but de ce TP est d'étudier l un des 2 types de régulateurs les plus utilisés dans les alimentations stabilisées: les régulateurs linéaires série et parallèle. Les régulations de type alimentation à découpage seront vues en 4 ième année. 1. PRINCIPES THEORIQUES 1.1. Introduction Une alimentation stabilisée comporte deux éléments distincts: 1 ) Un élément redresseur qui fournit une tension continue, plus ou moins stable, à partir de la tension du secteur. 2 ) Un élément stabilisateur de cette tension vis à vis des variations aléatoires du réseau EDF et des variations de la charge que l'on souhaite alimenter en continu. C'est à l'élément de stabilisation que l'on s'intéresse dans cette manipulation. Selon les performances que l'on attend de ce stabilisateur, on choisira : une simple diode Zener qui délivre une tension (dite de Zener) pratiquement fixe quel que soit le courant qui la traverse. un régulateur linéaire incorporant une diode Zener. Par rapport à la diode simple, on obtient un meilleur facteur de stabilité et un courant de charge plus élevé. un régulateur à découpage dit abusivement alimentation à découpage bien qu'il n'intègre pas en général la fonction redresseur. On ne s intéressera pas cette année aux régulateurs à découpage LES REGULATEURS LINEAIRES Présentation De type parallèle ou série, ils contiennent des composants discrets ou intégrés réalisant 3 fonctions distinctes: une tension stable de référence est fournie par une diode Zener. un transistor de puissance ballast délivre le courant souhaité (montage série) à la charge. On peut aussi dériver une partie du courant d'alimentation dans ce transistor (montage shunt). un élément comparateur, quelquefois explicite et souvent peu apparent, corrige les variations de la tension de sortie à l'aide d'une boucle de contre réaction qui régule le débit du transistor ballast. Cette opération utilise la tension de référence donnée par la diode Zener. Dans les régulateurs linéaires, le transistor travaille dans sa zone de fonctionnement linéaire Inconvénients des régulateurs linéaires Considérons l'un quelconque des montages régulateurs série. Le régulateur oblige le transistor à faire chuter la tension d'entrée Ve à la valeur désirée en sortie Vs; ce faisant, il est amené à dissiper une puissance Pd = It (Ve Vs), It étant le courant dans le transistor ballast. Outre l'échauffement souvent important que cette dissipation entraîne, il faut noter que cette énergie est entièrement perdue. Comme il est nécessaire, pour une bonne efficacité de la régulation, que Ve soit notablement supérieure à Vs, on conçoit les problèmes que pose la réalisation d'une alimentation linéaire de forte puissance, dont le rendement reste médiocre. Cet inconvénient lié au rendement se retrouve dans les montages de faibles

2 puissances dans lesquels Ve provient d'une source autonome (piles, batteries). Toute perte d'énergie inutile se traduit alors par une réduction d'autonomie. Montage 1 : Schémas des régulateurs a) Régulateurs parallèles (shunt) Un schéma est donné à la Figure 1. Le courant de base du transistor shunt traverse la diode Zener et la tension de collecteur s aligne sur la somme de la tension de Zener de la diode majorée de la chute de tension Vbe de la jonction émetteur base du transistor. On peut affirmer que, non seulement la puissance commandée par la diode est considérablement augmentée, mais encore que les facteurs de mérite du montage sont, en gros améliorés d un facteur ( étant le gain en courant du transistor). On a tout avantage à remplacer une diode de Zener de puissance par une association diode de Zener petite puissance transistor car la résistance dynamique du montage sera divisée par le du transistor. Cette configuration, si elle présente pour les faibles charges un assez mauvais rendement, puisque le courant qui n est pas absorbé par la charge l est par le transistor de stabilisation. L avantage est de demander à l alimentation un courant pratiquement constant, de ce fait les variations de la charge n influencent pas la tension délivrée par la source si cette dernière présente une résistance interne non négligeable (Figure 2). Vs=VzVbe Figure 1 Figure 2 Autre avantage de ce montage: les études sur la fiabilité des transistors ont montré que la probabilité de défaut par courtcircuit est plus élevée que celle par coupure. Un montage parallèle est donc favorable à la fiabilité des montages puisque le courtcircuit d un transistor stabilisateur shunt conduira au défaut d alimentation du montage et éliminera le danger de panne en cascade par surtension ou surintensité. Si le fusible de protection du transformateur placé à la sortie du réseau EDF a été correctement dimensionné, la surintensité ainsi provoquée en entraînera la fusion. Dans le cas contraire, c est la résistance Rs qui jouera peutêtre le rôle de fusible si elle n a pas été surdimensionnée. Il y a donc de grandes chances pour que le transformateur et les diodes d alimentation sortent indemnes.

3 Figure 3 : Il est possible avec le montage parallèle, d obtenir des tensions de sortie supérieures à celle fournie par la diode de Zener. La base du transistor est alimentée par un diviseur de tension R1, R2 et la diode Zener montée en série avec l émetteur du transistor. La tension de sortie est alors déterminée par le rapport de ces deux résistances : Figure 3 Vs = (Vz (R1 R2) / R2) b) Régulateurs séries Figure 4 Le transistor auxiliaire est monté en série avec la source, sa base est portée à un potentiel fixé par la diode Zener alimentée directement par la source à travers une résistance RB. Le principe est le suivant : si Vs augmente, alors Vbe diminue car Vs=VsVbe. Il s ensuit que Ib diminue, d où Ic= Ib diminue et Is diminue. Finalement, comme Vs=RcIs, la tension de sortie Vs diminue, il y a donc stabilisation ; la variation de tension à l entrée est intégralement ramenée aux bornes du transistor. Afin de soulager le transistor série on peut placer une résistance R1 en parallèle avec le transistor. Figure 4 Figure 5 : On peut également alimenter la diode Zener par un premier étage prérégulateur à diode Zener (Figure 5). Dans cette configuration le transistor est en fait monté en collecteur commun. La tension de sortie est égale à la tension de Zener moins la chute de tension émetteur base du transistor : V S = Vz Vbe Figure 5

4 Figure 6 En prélevant la tension de base du transistor aux bornes d un potentiomètre placé en parallèle sur la diode Zener, ce montage permet d obtenir des tensions de sortie comprises entre 0V et Vz Vbe. D un bien meilleur rendement aux faibles charges (puisque le transistor auxiliaire est parcouru par le même courant que la charge), ce montage alimenté par une source de résistance interne non négligeable fournira une moins bonne stabilisation en fonction de la charge puisque les variations de courant dans cette dernière seront intégralement appliquées à la source. Figure 6 Par contre, avantage non négligeable, si l on shunte la diode Zener par un condensateur, la valeur de ce dernier se trouve multipliée par le du transistor ce qui améliore considérablement le filtrage. En contrepartie, les défauts par courtcircuit du transistor étant plus probables que ceux par coupure, un tel défaut entraînera une surtension aux bornes des circuits alimentés ce qui pourra parfois être cause de pannes, d autant plus que le courant ne sera pas limité comme dans le montage shunt par la résistance Rs. Autre défaut de la configuration série, une plus grande influence de la température: Dans le montage shunt le Vbe du transistor s ajoute à la tension de Zener Vz dont les variations en fonction de la température sont le plus souvent de signe contraire à celles de Vbe ( Vz généralement positif et Vbe toujours négatif). Il en résulte une certaine compensation, surtout si l on couple thermiquement ces deux composants sur un même radiateur. Dans le montage série, la tension Vbe se retranchant de Vz c est l inverse qui se produit : les variations de ces deux tensions en fonction de la température s additionnent : (Vz Vz) (Vbe Vbe) = Vz Vbe Vz Vbe Si la diode Zener utilisée est à très faible coefficient de température il sera bon de compenser celui de la jonction base émetteur du transistor au moyen d une diode montée en direct avec la Zener (en pointillé sur la Figure 5). c) Alimentation régulée avec asservissement explicite Une alimentation régulée n est rien d autre qu un dispositif d asservissement dont la Figure 7 rappelle le synoptique de principe. La tension de sortie Vs est comparée en permanence à une grandeur de référence Vref. Ce n est parfois qu une fraction H.Vs de la tension de sortie qui est comparée à Vref. Figure 7

5 De cette comparaison il résulte un signal d erreur: = Vref H. Vs qui, après traitement (le plus souvent amplification) est adressé à un organe de réglage chargé d effectuer les correction nécessaires pour maintenir la grandeur de sortie aussi semblable que possible à la grandeur de référence. Dans une alimentation régulée c est le ou les transistors ballast qui remplissent ce rôle. Figure 8 : Le transistor T1 est l organe de réglage (ballast) et le transistor T2 cumule les fonctions d amplificateur et de comparaison entre la référence constituée par la diode Zener Vz montée en série avec son émetteur et la fraction H. Vs de la tension de sortie prélevée sur le pont de résistances R2, P, R3 branché en parallèle sur la sortie. Le transistor ballast T1 ne laisse passer le courant nécessaire à la charge que si on lui fournit un certain courant de base : IB1 = Ic / h21e Figure 8 courant qui lui est fourni à partir de la source non régulée à travers la résistance R1. Toute augmentation de la tension de sortie Vs se traduira par une augmentation de la tension d erreur appliquée à la base de T2, d où augmentation du courant de collecteur de ce transistor au détriment du courant de base de T1 ce qui aura pour effet de ramener la tension de sortie à une valeur plus proche de la valeur de référence. 2. TRAVAIL THEORIQUE Après avoir pris connaissance des montages présentés précédemment, analyser de manière théorique le comportement des deux circuits suivants en fonction des variations des différents paramètres qui sont demandés dans la partie expérimentale Exprimer Vp en fonction de Ve puis Vs en fonction de Ve etc

6 3. TRAVAIL EXPERIMENTAL 3.1. REGULATEUR PARALLELE La maquette de régulateur parallèle utilisé en TP est présentée Figure 9. ENTREE V E 820 2,2K P ,1K 3,3K 12K SORTIE V S 1,1K 10 6,2 V V Z Figure Mesure de la tension stabilisée en conditions optimales de source et de charge On choisira Ve = 40 V, Rc =, pas de variation sinusoïdale de la tension d entrée (ve=0). Mesurer Vs et la tension Vp sur le point milieu du pont diviseur, ainsi que la tension Vz aux bornes de la diode Zener. Conclusions (Comparer/théorie)? Régulation vis à vis de la source («ronflement») Pour Rc sur la position Rc =, et Ve variant de 0 à 40 V, Mesurer simultanément la caractéristique de régulation Vs = f(ve) et la caractéristique de la Zener Iz = f(vz) que vous tracerez sur deux feuilles différentes. Expliquer la corrélation existant entre ces deux courbes et la théorie. Commenter précisément les deux zones des courbes. Déterminer graphiquement, pour Ve = 40 V, la pente vs/ve de la courbe Vs = f(ve) (avec vs, ve : variations de faible amplitude). En déduire le coefficient de régulation pour la valeur d'entrée considérée (Ve = 40 V) : = (ve/ve )/(vs/vs) Pour simuler (autrement que graphiquement) une "ronflette", injecter, en série avec la tension continue d'entrée Ve = 40 V, une tension sinusoïdale ve d'amplitude environ égale à 300mVrms et de fréquence 1 khz (ces 300mV seront prélevés au secondaire d'un transformateur de rapport 1 : 10 (Figure 10)). On vérifiera notamment que ce niveau d amplitude au secondaire correspond à une amplitude d entrée affichée d émission de 10Vpp sur le synthé. HP33120A. Mesurer les valeurs correspondantes Vs et vs en sortie et le coefficient de régulation. Comparer avec la mesure graphique de.

7 MODULATION 1 KHZ ALIMENTATION 300 mv ENTREE REGULATEUR Figure Régulation vis à vis des variations de charge Tracer (en échelles semilog.) la caractéristique de charge Vs=f(Rc) pour Ve= 40 V. Corréler cette caractéristique avec celle de la diode Zener, préciser la zone de régulation et expliquer ce qui se passe. Expliquer ce qui se passe REGULATEUR SERIE Le schéma de la maquette utilisée en TP est donnée Figure 11. Même travail qu'en 3.1, mais on ne relèvera pas la caractéristique de la Zener. VE 820ž 10Kž 10ž 2,2Kž R 1 100ž 330ž 1,1K 3,3K 12K V S 1,1Kž R 2 6,2 v V Z Figure 11