jeudi 23 février 2017

Utilisation d'un régulateur de tension linéaire

De façon générale, un régulateur de tension est utilisé lorsqu'on désire une valeur précise de tension (par exemple:  5 V), qui demeurera constante malgré d'éventuelles fluctuations de la tension d'alimentation ou de la résistance du circuit alimenté.

Par exemple, après qu'une tension alternative ait été convertie en tension continue grâce à un rectificateur à double alternance,  nous obtenons un signal à peu près continu, mais qui comporte une légère ondulation, qui peut se révéler indésirable:  l'utilisation d'un régulateur de tension permet d'éliminer cette oscillation.

Dans d'autres situations, nous voudrons utiliser une pile pour produire une tension de 5 V... mais il n'existe pas vraiment de piles de 5 V.

Dans cet article, je me limite aux régulateurs linéaires conventionnels, qui ont l'avantage d'être très peu coûteux, en plus d'être facile à utiliser.   Comme nous le verrons,  ils ont toutefois l'inconvénient de gaspiller une proportion non négligeable d'énergie sous forme de chaleur.  Pour un circuit plus économe en énergie, un régulateur à découpage pourrait être plus approprié.

Régulateurs de tension fixe:  LM7805, LM7809, LM7812, etc.

Commençons par la série LM78XX, qui permet d'obtenir une tension fixe.  Les deux derniers chiffres du numéro de modèle nous indiquent la tension de sortie.  Ainsi, le LM7805 produit une tension de 5 V, le LM7809 produit une tension de 9 V, le LM7824 produit une tension de 24 V, etc.

Ces régulateurs sont généralement vendus en format TO-220.  Ils comportent 3 broches: la tension d'entrée (1), la masse qui est commune à l'entrée et à la sortie (2), et la tension de sortie (3).

Ces régulateurs consomment eux même un minimum d'environ 2 V; pour cette raison, la tension d'entrée doit être d'au moins 2 V de plus que la tension de sortie désirée.  Par exemple, pour obtenir une tension de 5 V au moyen d'un LM7805, il faut utiliser une alimentation d'au moins 7 V.  Cette tension d'entrée peut être aussi grande que 35 V, mais attention:  plus votre tension d'entrée est grande par rapport à la tension de sortie, plus votre régulateur dissipera une grande quantité de chaleur, ce qui représente beaucoup d'énergie gaspillée, d'une part, en plus de vous obliger à fixer au régulateur un radiateur qui évitera la surchauffe.

On recommande généralement d'ajouter un condensateur à l'entrée, et un condensateur à la sortie, pour améliorer la stabilité de la tension.  La fiche technique du fabriquant recommande 0,33 µF à l'entrée et 0,1 µF à la sortie. Toutefois, il n'est pas rare de voir des circuits dans lesquels on recommande deux condensateurs de 1 µF ou 10 µF, ou une combinaison de deux condensateurs en parallèle (afin de filtrer à la fois les perturbation de haute et de basse fréquence).

Pour la plupart des utilisations, la valeur exacte de ces condensateurs ne semble pas avoir une très grande importance.



Le schéma ci-dessous montre un circuit intégré alimenté en 5 V par un LM7805.


Par curiosité, j'ai mesuré le rendement d'un LM7805 alimentant une résistance de 1 kΩ, pour deux tensions d'entrée différentes:

Tension d'entrée:  7,0 V           Courant d'entrée:  8,3 mA           Puissance d'entrée:  0,059 W
Tension de sortie:  4,95 V        Courant de sortie:  4,9 mA         Puissance de sortie:  0,024 W

Rendement:  41%

Tension d'entrée:  10,0 V       Courant d'entrée:  8,3 mA        Puissance d'entrée = 0,083 W
Tension de sortie:  4,95 V      Courant de sortie:  4,9 mA       Puissance de sortie = 0,024 W

Rendement:  29%

Conclusion:  Le rendement est médiocre; plus de la moitié de l'énergie initiale est dissipée sous forme de chaleur dans le régulateur lui-même.  Et le rendement est pire encore lorsque l'écart entre la tension de sortie et la tension d'entrée est grand.


Régulateurs de tension réglables: le LM317

Le LM317 est un régulateur de tension ajustable:  sa tension de sortie dépend de la valeur des résistances qu'on lui associe.  Le même circuit intégré vous permettra donc d'obtenir, au besoin, une tension de 3,3 V, ou de 12 V, ou encore une tension ajustable au moyen d'un potentiomètre.

Même s'il ressemble à s'y méprendre à un LM7805, la disposition des broches du LM317 est totalement différente:

La broche 1 "ADJ" est la broche d'ajustement.  La tension de sortie est à la broche 2, et la tension d'entrée est à la broche 3.

Voici le schéma classique qu'on retrouve dans la fiche technique du LM317:



Attention, sur le  schéma ci-dessus, les broches du LM317 ne sont pas représentées dans l'ordre.

Voici une autre façon de représenter le même circuit:


L'équation qui permet de déterminer les résistances qu'il faut choisir afin d'obtenir la tension de sortie désirée est:

         Vsortie = 1,25 * (1 + R2/R1) + IADJ * R2

Le fabriquant recommande une résistance R1 d'environ 240 Ω.

Le courant  IADJ est de quelques dizaines de microampères seulement.  Pour cette raison, le terme  IADJ * Rest presque toujours négligeable.

L'équation devient donc     Vsortie = 1,25 * (1 + R2/R1)

Et c'est souvent plus pratique d'isoler R2:

           R2 = R1 ((Vsortie/1,25) - 1)

Donc si je désire une tension de sortie de 9 V, j'utilise R1 = 240 Ω et R2 = 1488 Ω.

Petit essai (avec des résistances quelque peu approximatives):


Vous aimeriez utiliser une sortie USB de votre ordinateur (5 V) pour alimenter un circuit intégré fonctionnant sur 3,3 V?  Pourquoi pas?

Avec R1 = 240 Ω, l'équation nous donne R2 = 394 Ω.  Voici ce que ça donne:



En remplaçant R2 par un potentiomètre (de 5 kΩ, par exemple), on obtient une source de tension variable.


Yves Pelletier   (TwitterFacebook)


1 commentaire:

  1. C'est la première fois que je comprends quelque chose en électronique ! Merci.

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