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 (I FRM ) 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 V CE et le courant I C ) varie constamment de façon à maintenir V S 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) V CE = V E V S 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 C 1 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 C 2 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, D 1 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. D 2 protège le régulateur en cas d'application d'un tension inverse en sortie. Dans le cas d'un régulateur pour tension négative, les diodes D 1 et D 2 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 ; Régulation parallèle ou schunt : Vs = (1 + R 1 / R 2 ) Vr La tension de sortie, donc Vs, est ajustée par les résistances R 1 et R 2, 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 (D 1, D 2, C 2, C 3 ) peuvent êtres nécessaires pour ce montage également. Le condensateur C REF assure un filtrage supplémentaire de V REF. La résistance R 1 peut être remplacée par des diodes en série ou une diode zéner. 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 : T j T a = P D R TH JA T j : Température de jonction ( C) T a : Température de l'ai ambiant ( C) R TH JA : Résistance thermique jonction air ( C / W) Dépend du type de boîtier P D : Puissance à dissiper (W) Modèle thermique avec radiateur : Loi d'hom thermique : T J T A = P D (R TH JB + R TH BR + R TH RA ) R TH JB = résistance thermique jonction boîtier. R TH BR = Résistance thermique boîtier - radiateur Dépend du type de boîtier et peut être améliorée (diminuée) par l'emploi de graisse thermique. R TH 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???