DIODES GPA667 CONCEPTION ET SIMULATION DE CIRCUITS ÉLECTRONIQUES GPA667 1 RÉGULATEURS LINÉAIRES

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1 GPA667 CONCEPTION ET SIMULATION DE CIRCUITS ÉLECTRONIQUES RÉGULATEURS LINÉAIRES C.I. LIN.-NUM. 1 Rev. 22/09/2013 S l Diode : Caractéristique I vs V l Modélisation l Spécifications techniques l Limitations l Droite de charge l Applications (D.E.L., ZENER) 2 GPA667 1

2 REDRESSEURS l Redresseurs ( double-alternance) l Ronflement l Filtrage capacitif l Calcul d un redresseur capacitif 3 RÉGULATEURS l Régulateur série l Régulateur shunt l Régulateur série fixe (78XX, 79XX) l Régulateur série prog. (LM317) 4 GPA667 2

3 CARACTÉRISTIQUE I D vs V D 5 TENSION MAX. INVERSE l La tension maximale inverse : tension maximale en mode inverse avant d entrer dans la zone ZENER. l On réfère à cette tension selon les acronymes P.I.V. ( Peak Inverse Voltage) ou P.R.V. ( Peak reverse Voltage) 6 GPA667 3

4 TENSION DE SEUIL l La tension directe : tension à laquelle le courant I D se met à croître rapidement. l On appelle cette tension de seuil : V T ou V F l Pour les diodes Si, V T 0.7 V l Pour les diodes Ge, V T 0.3 V 7 TEMPÉRATURE Le courant I S double à tous les 10 o C d augmentation de la température ambiante. 8 GPA667 4

5 MODÉLISATION Modèle linéaire Modèle simplifié Modèle idéal 9 SPÉCIFICATIONS l V F, I F, I R l P.I.V. ou P.R.V. l P D max l Capacité l t rr l T 10 GPA667 5

6 TEMPS DE RÉCUPÉRATION Lorsque la diode passe du mode direct au mode inverse, cette transition ne se fait pas instantanément 11 TEMPS DE RÉCUPÉRATION On doit neutraliser la charge de C T (t s ) et bâtir la charge de C D (t t ) 12 GPA667 6

7 S SIGNAL 13 S PUISSANCE 14 GPA667 7

8 S ÉLECTROLUMINESCENTES 15 S ÉLECTROLUMINESCENTES 16 GPA667 8

9 DROITE DE CHARGE 17 DROITE DE CHARGE 18 GPA667 9

10 APPLICATION D.E.L. INDICATEUR LUMINEUX Vous devez concevoir un indicateur lumineux à D.E.L. Les spécifications de la D.E.L. apparaissent à la figure 1.52 du manuel. Le circuit est composé d une pile V B de 9V en série avec une résistance R et la D.E.L. Trouver la valeur de R graphiquement en traçant la droite de charge. On veut un courant nominal de 15 ma lorsque la pile est fraîche ( V B = 9V ). 19 S ZENER 20 GPA667 10

11 ZENER PROGRAMMABLE 21 ZENER MODÉLISATION 22 GPA667 11

12 ALIMENTATION C.C. 23 APPLICATION REDRESSEURS DOUBLE ALTERNANCE 4 S : ( PONT SANS TRANFORMATEUR, V m ) 4 S : ( PONT et TRANSFORMATEUR à un seul enroulement secondaire, V m ) 2 S : ( TRANSFORMATEUR à enroulement secondaire avec prise médiane, V m 0 - V m ) 24 GPA667 12

13 PONT SANS TRANFORMATEUR, V m SANS FILTRAGE l V dc = 0.636(V m 2V T), 2/π = l P.I.V. V m, I D = I moy /2 l AVEC FILTRAGE C l Voir Annexe B et tableaux B.2, B.3 et B.4 25 PONT V T V m V T 26 GPA667 13

14 PONT V T V m Si les diodes sont idéales, V T = 0 27 PONT V m Si les diodes sont réelles, V T = 0.7V 28 GPA667 14

15 PONT, TRANFORMATEUR, V m SANS FILTRAGE l V dc = 0.636(V m 2V T ), 2/π = l P.I.V. V m, I D = I moy /2 l Rapport de tour, a = V prim /V m AVEC FILTRAGE C l Voir Annexe B et tableaux B.2, B.3 et B.4 29 TRANFORMATEUR, V m V m SANS FILTRAGE l V dc = 0.636(V m V T ), 2/π = l P.I.V. 2V m, I D = I moy /2 l Rapport de tour, a = V p /V m pour chaque enroulement AVEC FILTRAGE C l Voir Annexe B et tableaux B.2, B.3 et B.4 30 GPA667 15

16 TRANSFO, PRISE MÉDIANE V T 31 TRANSFO, PRISE MÉDIANE V T 32 GPA667 16

17 RONFLEMENT (Ripple) 33 FILTRAGE CAPACITIF 34 GPA667 17

18 TENSION DE SORTIE Filtrage capacitif 35 TENSION DE RONFLEMENT l La tension de ronflement V r est associée à une tension triangulaire et on exprime sa valeur R.M.S. en fonction de sa valeur crête-crête selon : V r (rms) = V r (p-p) / (2*sqrt(3)) l La fréquence f, 60 Hz, est celle de la tension du secteur. Les équations tiennent compte que nous avons un redresseur double alternance. En pratique, les redresseurs simple alternance sont peu utilisés. 36 GPA667 18

19 TENSION DE RONFLEMENT l Toutes les tables ( B.3, B.4 et B.5 ) utilisent le coefficient de ronflement. Il faut donc déterminer r pour utiliser les tables. r = V r (rms)/v dc r (%) = V r (rms)/v dc x RONFLEMENT(Approximation) 38 GPA667 19

20 RONFLEMENT(Approximation) On peut utiliser cette équation : lorsque : 39 TENSION DE SORTIE Filtrage capacitif Si on connaît les valeurs V dc et/ou V m, on a : f = 60 Hz 40 GPA667 20

21 V dc / V m vs r, Tableau B.3 41 V r (rms) / V m vs r, Tableau B.4 r/(1+sqrt(3)r) 42 GPA667 21

22 TENSION DE SORTIE Filtrage capacitif 43 I p / I dc vs r, Tableau B.5 44 GPA667 22

23 RÉGULATEUR SÉRIE 45 RÉGULATEUR SÉRIE l Dans un régulateur en série, l élément de contrôle est en série entre l entrée (V in ) et la sortie (V out ). l La puissance dissipée est égale à celle dissipée dans l élément de contrôle et les autres éléments du circuit. l Cette puissance est gaspillée et diminue le rendement du régulateur surtout lorsque ΔV est grand. 46 GPA667 23

24 RÉGULATEUR SÉRIE Si la tension V o diminue, la tension V be et I b augmentent ce qui contribue à diminuer V ce et compenser cette baisse de V o. On obtient donc une régulation de la tension V o. Si la tension V o augmente, la tension V be et I b diminuent ce qui contribue à augmenter V ce et compenser cette hausse de V o. On obtient donc une régulation de la tension V o. 47 RÉGULATEUR SÉRIE EXEMPLE GPA667 24

25 RÉGULATEUR SÉRIE EXEMPLE RÉGULATEUR SÉRIE Régulateur série avec diode Zener comme référence et un transistor comme élément de contrôle. Transistor Q1 avec β = 100 Calculez R et que vaut V 0? Pourquoi? 50 GPA667 25

26 RÉGULATEUR SÉRIE 60 ma 7-9 V 49.5 ma 4 V 219 Ω 4.7 V 0.5 ma 50 ma 10.5 ma 10 ma 51 RÉGULATEUR SÉRIE AVANTAGES La zener et la résistance dissipent peu. INCONVÉNIENTS Plus de composants, plus coûteux. Le transistor dissipe (V in max V o ) x I L = 250 mw 52 GPA667 26

27 RÉGULATEUR SÉRIE EXEMPLE Fig Ex RÉGULATEUR SÉRIE EXEMPLE GPA667 27

28 RÉGULATEUR SHUNT 55 RÉGULATEUR SHUNT l Dans un régulateur shunt ( en parallèle), l élément de contrôle est en parallèle entre l entrée (V in ) et la sortie (V out ). l On régularise la tension de sortie en variant le courant shunt I SH en parallèle avec celui I L de la charge. l La puissance dissipée est égale à celle dissipée dans l élément de contrôle et les autres éléments du circuit. Cette puissance est gaspillée et diminue le rendement du régulateur surtout lorsque le courant shunt (I SH ) est élevé. 56 GPA667 28

29 RÉGULATEUR SHUNT APPLICATION D UNE ZENER V i, R et R L fixes :V L < V Z ou V L V Z? Ensuite résoudre V i et R fixes, R L variable : R lmin = RV Z /(V i V Z ) R lmax = V Z /I lmin I lmin = (V R /R) - I ZM V i variable et R L fixe : V imin = V Z (R L + R)/R L V imax = V Z + (I ZM + I L ) R 57 RÉGULATEUR SHUNT APPLICATION D UNE ZENER 58 GPA667 29

30 RÉGULATEUR SHUNT Concevoir un régulateur shunt avec une diode Zener 1N750 pour une charge R L qui varie entre 25 ma et 50 ma On veut s assurer que le courant minimal de la diode soit toujours 10 ma. La tension d entrée V i varie entre 7V et 9V comme pour le problème précédent. 59 RÉGULATEUR SHUNT Calculer la résistance série R et la puissance maximale disspée dans R. Calculer le courant maximal I Z et la puissance maximale dissipée dans la Zener. 60 GPA667 30

31 RÉGULATEUR SHUNT R = 38.3 Ω 137 mw 60 ma 7 V 47 mw 10 ma 4.7 V 50 ma RÉGULATEUR SHUNT CHARGE MAXIMUM, ENTRÉE MINIMUM 61 RÉGULATEUR SHUNT R = 38.3 Ω 480 mw 112 ma 9 V 408 mw 87 ma 4.7 V 25 ma RÉGULATEUR SHUNT CHARGE MINIMUM, ENTRÉE MAXIMUM 62 GPA667 31

32 ZENER SHUNT AVANTAGES Simple, facile à concevoir, peu coûteux. INCONVÉNIENTS Pour une charge faible et relativement constante La tension d entrée doit être près de la tension de sortie sinon on dissipe trop La résistance et la Zener se trouvent facilement dans des boîtiers capables de dissiper 500 mw. Pour notre cas, de tels boîtiers seraient inadéquats. 63 RÉGULATEUR SHUNT GPA667 32

33 RÉGULATEUR SHUNT 65 RÉGULATEUR SHUNT GPA667 33

34 RÉGULATEUR SHUNT La Zener programmable TL431 permet de choisir la tension Zener. Des manufacturiers fabriquent une version avec V ref aussi bas que 1.25 V permettant d obtenir des tensions Zener aussi basse que 1.25 V. 67 RÉGULATEUR SHUNT AVANTAGES En ajoutant un transistor, on réduit la puissance dissipée dans la Zener. Simple à réaliser. INCONVÉNIENTS La majeure partie de la puissance doit quand même être dissipée dans le transistor et on doit toujours dissiper de la puissance dans la résistance à l entrée. Peu efficace. 68 GPA667 34

35 Régulateur positifs série 78XX Régulateur positifs série 78XX GPA667 35

36 Régulateur positifs série 78XX 71 Régulateur 7812 Caractéristiques 72 GPA667 36

37 Régulateur 7812 Caractéristiques l Output voltage : typ. 12 V, min. 11.5, max l Output regulation : typ. 4 mv/v, max. 100 mv/v pour des courant de 0.25A à 0.75 A. l Short-circuit Output Current : 0.35 A limité en cas de défaut l Peak Output Current : 2.2 A Le courant max. de sortie étant variable selon le boîtier et les dissipateurs utilisés, ce courant max de sortie peut aller jusqu à 1.5 A continu. On pourra toutefois aller jusqu à 2.2 A pour une courte durée. l Dropout voltage : typ. 2V pour cette série. C est la tension minimale qui doit être maintenue entre l entrée Vin et la sortie Vo pour que le régulateur fonctionne bien. 73 Régulateur négatifs série 79XX GPA667 37

38 Exemple Exemple Bug ici = 8.35V 6.25V = 2.1V GPA667 38

39 Exemple 15.1 Pour quelle valeur maximale de la charge pourra-t-on maintenir la régulation? 77 APPLICATION RÉGULATEUR CONCEPTION D UN BLOC D ALIMENTATION LINÉAIRE Spécifications : Régulateur 7805, V dc = 5V, I dc = 100mA On s alimente sur le secteur ( 120 V ) et la tension à l entrée du régulateur ( V raw ) doit être comprise entre 8V et 9V afin de limiter les pertes et d assurer un bon fonctionnement du régulateur. V raw provient d un redresseur double alternance ( pont ) formé de 4 diodes avec un transformateur. 78 GPA667 39

40 APPLICATION RÉGULATEUR CONCEPTION D UN BLOC D ALIMENTATION LINÉAIRE Utiliser les équations de l appendice B pour spécifier : transformateur ( rapport de tours, tension, courant ) diodes : ( I moyen, I crête, P.I.V. ) condensateur de filtrage ( capacité, tension ) 79 APPLICATION RÉGULATEUR CONCEPTION D UN BLOC D ALIMENTATION LINÉAIRE SOLUTION Choisissons un redresseur en pont ( 4 diodes ) V r (p-p) = 9V 8V = 1V V r (r.m.s.) = 1/2sqrt(3) = V 80 GPA667 40

41 APPLICATION RÉGULATEUR CONCEPTION D UN BLOC D ALIMENTATION LINÉAIRE SOLUTION %r = V r (rms)/v dc = 0.289/8.5 x 100 = 3.4% Dans B.3 on a %r = 3.5% V m /V dc = et V dc /V m = V m = 8.5V x = 9.01 V On ajoute 2 x 0.7V pour compenser pour la chute de tension V T. V m V 2p (tension crête au sec. du xfo) = V # 81 révisé 9 juin juin 2014 APPLICATION RÉGULATEUR CONCEPTION D UN BLOC D ALIMENTATION LINÉAIRE SOLUTION V m V 2p = 10.5 V prim V 2 rms = x 10.5 = 7.42 V Rapport de tour = 120/ Si I dc = 100 ma alors C = 0.1 (0.943)/(4 sqrt(3) 60 x 0.289) = 785 uf # 82 révisé 9 juin juin 2014 GPA667 41

42 APPLICATION RÉGULATEUR CONCEPTION D UN BLOC D ALIMENTATION LINÉAIRE SOLUTION θ 1 = o, θ 2 = o, θ C = = o et à on trouve I p /I dc = 6.24 table B.5 On peu aussi prendre %r = 3.5 et trouver 6.24 dans B.5 I p /I dc = 6.24 Ip = 6.24 x 0.1 A = 0.62 A 83 Régulateur de tension ajustable GPA667 42

43 Exemple LM GPA667 43