Dernière mise à jour : 30/10/2011
Présentation
Un régulateur de tension est un élement qui permet de
stabiliser une tension à une valeur fixe, et est
nécessaire pour les montages électroniques qui ont besoin
d'une tension qui ne fluctue pas, ne serait-ce que peu. Un
régulateur de tension peut être composé d'un
ensemble de composants classiques (résistances, diodes zener et
transistor par exemple), mais il peut aussi être de type
"intégré" et contenir tout ce qu'il faut dans un seul et
même boitier, pour faciliter son usage. C'est ce genre de
régulateur intégré dont il est question dans cet
article. Voir aussi Régulation
d'alimentation.
Régulateurs fixes
Les régulateurs fixes sont appelés ainsi parce qu'ils ont
été conçus pour délivrer une tension
continue d'une valeur donnée, qui ne peut pas être
modifiée sans artifice. Il en existe de multiples sortes, mais
les plus courants sont sans aucun doute ceux de la série LM78xx
(ou uA78xx) et LM79xx (ou uA79xx). Il sont très faciles à
mettre en oeuvre, et il suffit de peu de connaissances pour savoir
lequel utiliser, leur nom indiquant de lui-même de quoi il en
retourne. Pour tout savoir, décomposons le nom de ces
régulateurs :
LM = préfixe utilisé par le fabricant. Il peut aussi
s'agir de uA, ou MC.
78 = signifie qu'il s'agit d'un régulateur positif
79 = signifie qu'il s'agit d'un régulateur négatif
xx = tension de sortie fixe (valeur entière)
Valeurs courantes disponibles : 5V, 6V, 9V, 10V, 12V, 15V, 18V, 24V
(certaines de ces valeurs étaient moins courantes par le
passé
que maintenant).
Sachant cela, vous devriez êtrre en mesure de me dire à
quoi correspondent les régulateurs marqués LM7812 et
uA7915... Si ce n'est pas le cas, relisez les lignes qui
prècèdent.
Attention, ce n'est pas parce qu'on
a affaire à un régulateur de tension intégré que dans tous les cas les
derniers chiffres indiquent la valeur de la tension de sortie ! Comme
vous le verrez plus loin, il existe aussi des régulateurs de tension
ajustable (programmable) qui portent des références "exotiques" et dont
on peut décider par le biais de deux
résistances, de la tension de sortie régulée qu'ils doivent fournir.
Par exemple, les deux premiers chiffres de la référence du régulateur intégré TL783
sont bien "78", mais ce régulateur n'est pas un régulateur fixe qui
délivre 3 V ou 30 V comme pourrait le laisser suggérer ce que j'ai
écrit ci-avant...
Exemple d'utilisation avec un régulateur de type 7812, où
un condensateur a été ajouté à
l'entrée du régulateur, et un second à sa sortie
(on peut parfois se passer de ce dernier pour les
régulateurs positifs, mais il est conseillé de garder ce
bon réflexe qui consiste à le prévoir) :
Ce type de régulateur dispose d'une entrée (sur deux
fils), et une sortie (aussi sur deux fils). Comme un des deux fils de
l'entrée est commun à l'un des deux fils de sortie (la
masse), on ne retrouve que trois pattes sur le composants :
l'entrée, la masse et la sortie. On applique la tension à
réguler entre la patte d'entrée et la patte de masse, et
on récupère la tension régulée entre la
patte de sortie et la patte de masse.
Brochage :
il faut faire
très attention,
le brochage des régulateurs négatifs n'est pas le
même que le brochage des régulateurs positifs ! Voici
ci-dessous le brochage des régulateurs fixes les plus
communs LM78xx / LM79xx en boitier TO220 (composants montrés de
face,
références visibles).
Exemples de mise en oeuvre de ce type de régulateur : Alimentation
simple 001, Alimentation
symétrique 002, Alimentation
symétrique 003
Décalage de la tension de sortie d'un régulateur fixe
Il est possible d'obtenir une tension de sortie non standard avec un
régulateur de tension fixe, en la
"décallant" de la valeur désirée, à l'aide
d'une
diode zener placée entre masse et borne de masse du
régulateur
intégré. Par exemple, pour obtenir une tension de sortie
de
10V, il est possible d'insérer une zener de 5,1V entre borne
"masse"
d'un régulateur 5V et masse "réelle", comme le montre le
schéma
ci-dessous (en théorie, la tension de sortie devrait être
de
10,1V, mais la tolérance sur les valeurs de la zener et de la
tension
de sortie du régulateur font que la valeur pourra
légèrement
différer) :
De même, pour obtenir une tension proche de 9V et si vous ne
trouvez pas de LM7809, vous pouvez
utiliser
un régulateur 5V (LM7805) en association avec une zener de 3,9V
(5V
+ 3,9V = 8,9V, en pratique ça convient parfaitement dans la
grande
majorité des cas).
Bien entendu, cette méthode peut être utilisée si
vous avez déjà un régulateur de tension fixe sous
la main que vous souhaitez absolument utiliser. Car si tel n'est pas le
cas, je ne saurais que trop vous conseiller d'utiliser un
régulateur de tension ajustable.
Régulateurs ajustables (programmables)
Les régulateurs ajustables ont été conçus
afin de pouvoir fournir une tension de sortie pouvant prendre
une
valeur quelconque dans une plage bien déterminée, et dont
la valeur peut
être décidée facilement. La plupart du temps, la
tension de sortie d'un régulateur de tension ajustable est
déterminée par la valeur de deux résistances
additionnelles. Le schéma
ci-dessous montre un exemple de réalisation basé sur un
LM317 (le LM317 est un régulateur positif, le LM337 est son
"complémentaire" en négatif).
Tout comme le régulateur fixe, le régulateur ajustable
possède une patte d'entrée et une patte de sortie. La
différence réside dans l'emploi de la troisième
patte, qui n'est plus une patte de masse, mais une patte de
référence. C'est sur cette patte que l'on va "jouer" pour
faire sortir au régulateur la
tension désirée. Retenons tout de suite que pour la
quasi
totalité des régulateurs, la tension de sortie minimale
est de 1,25V, et ne peut descendre en dessous sans employer une source
de tension négative ou en ayant recours à une astuce qui
complique vraiment le schéma. Les deux résistances R1 et
R2 du schéma précédent permettent donc de
"programmer" la tension
de sortie. La formule pour déterminer la valeur de ces
résistances est la suivante :
VOut (tension de sortie positive) = 1,25 * (1 + (R2 / R1)).
Très important !
La
résistance R1 doit être montée au plus près du
régulateur, surtout pour la patte côté sortie du
régulateur. Il faut en effet faire en sorte que la chute de
tension introduite entre la sortie régulateur et la patte de
cette résistance soit la plus faible possible, pour limiter les
variations de la tension de sortie en fonction du courant
consommé (le risque est d'autant plus grand que le courant
tiré en sortie est important).
Le schéma qui précède montre à quel point
il est facile de réaliser une alimentation régulée
à la valeur fixe que l'on veut, de façon très
simple. Pour pouvoir ajuster la tension de sortie, il faut remplacer la
résistance R2 par un potentiomètre, qui permettra de
faire varier le rapport de tension entre la sortie du régulateur
et sa borne Adjust.
Il n'est pas du tout recommandé de
placer un potentiomètre de la sorte si vous désirez une
tension de sortie fixe mais parfaitement ajustée. Il y a une
grande différence entre vouloir ajuster
de façon
précise une tension de sortie fixe
(par exemple à +15,0V) et vouloir disposer d'une tension de
sortie variable
(par exemple
de 3 à 24V). Dans le premier cas, il est
préférable de remplacer le potentiomètre par un
potentiomètre monté en série avec une
résistance talon. Cela permet de limiter la plage de variation
et ainsi de la rendre plus précise. Dans ces condition, pas
besoin d'un potentiomètre multitours couteux, un simple
potentiomètre ajustable 3/4 de tours à piste carbone
suffit amplement.
Les montages
présentés ci-avant sont simple. Mais en
pratique, il faut reconnaitre que l'ajout de quelques composants permet
d'améliorer le fonctionnement globale et d'éviter de
mauvaises surprises. Le schéma suivant montre un exemple de
réalisation plus "concret".
Le condensateur C1 est celui du filtrage principal, ne nous
étendons pas dessus. Trois condensateurs ont été
ajoutés par rapport au schéma de base : C2, C3 et C4. C2
et C4 contribuent à une meilleur stabilité du montage et
limitent fortement le risque d'apparition d'oscillation parasite en
sortie du régulateur. Le condensateur C3 quant à lui
contribue à améliorer la réjection de l'ondulation
résiduelle alternative (en clair : moins de ronflette en
sortie), sa valeur est généralement comprise entre 10 uF et 100 uF. Ces
condensateurs additionnels ne sont pas du tout obligatoires si les
liaisons sont courtes, et sont conseillés si les liaisons dépassent
quelques cm.
Note pour le régulateur
négatif LM337
: le condensateur placé en sortie
(l'équivalent de C4 du schéma précédent)
doit être un tantale de quelques uF ou un électrolytique
de quelques dizaines ou centaines de uF (même si dans le domaine audio
on ne recommande pas le tantale et qu'on lui préfère un chimique de
plus forte valeur). Il faut éviter pour ce
dernier d'utiliser un condensateur céramique et film.
Brochage :
ces
régulateurs ajustables adoptent le même boitier que les
régulateurs fixes (TO220 et TO3 sont les deux les plus
répendus), et pour cette raison, il faudra rester prudent pour
les brochages, qui diffèrent entre eux. Voici ci-dessous le
brochage des régulateurs ajustables les plus communs
LM317 / LM337 en boitier TO220 (composants montrés de face,
références visibles).
Exemples de mise en oeuvre de ce type de régulateur : Alimentation
simple 002, Alimentation
simple 003, Alimentation
symétrique 001
Programmation télécommandée de la tension de sortie
Il
est possible de disposer de plusieurs tensions de sortie, et de choisir
celle que l'on veut grâce à une "télécommande". Pour cela, il suffit
d'installer plusieurs transistors qui font office d'interrupteurs,
chaque transistor mettant en circuit une résistance ou potentiomètre
ajustable dont la valeur conditionne la tension de sortie. Le schéma
suivant donne un exemple de mise en oeuvre de cette idée.
Pour plus de détails sur le fonctionnement de ce montage, merci de vous
reporter à la page Alimentation
ajustable 015.
Condensateurs en entrée et en sortie des régulateurs
On se
pose (presque) tous la question des condensateurs parfois situés en
amont et en aval des régulateurs de tension, qui sont montés en
complément du condensateur principal de filtrage. On trouve en effet un
peu de tout dans les schémas, et le choix des types et valeurs semble
souvent fait selon le principe "en général on met ça".
Il
est vrai que les fabricants de régulateurs de tension donnent des
indications dans leurs notes d'application, mais ces dernières ne sont
pas forcement très claires pour tout le monde (moi compris). Voici en
gros ce qui y est indiqué, de façon un peu "décodée". Les références
données ci-après correspondent à celles du schéma précédent, elles
peuvent bien sûr différer d'un schéma à un autre. Il faut bien être
conscient que si les valeurs préconnisées ne sont pas
prises au
hasard, il est très difficile d'établir des valeurs précises, car tout
calcul précis dans ce domaine nécessite la prise en compte de tous les
paramètres annexes au régulateur lui-même, et notamment des
caractéristiques de la charge (circuit alimenté). Pour ce qui
est
de la technologie des composants, les choses évoluent avec le temps, et
ce qui peut être un avantage dans telle situation peut devenir un
inconvénient dans telle autre.
Condensateur C1
: c'est le condensateur principal de filtrage, qui est associé à la
diode ou aux diodes de redressement, et qui permet de "lisser" les
arches de sinusoïdes pour en obtenir une tension à peu près "droite"
(entendez stable et sans trop d'ondulation). La valeur de ce
condensateur est définie par le courant maximal désiré en sortie de
l'alimentation, sa valeur est généralement de 1000 uF à 2200 uF par
tranche de 1 A (si redressement mono-alternance, la valeur doit être
plus élevée pour combler les trous liés à l'absence d'une alternance
sur deux). Les fabricants de régulateur de tension ne précisent rien de
spécial pour ce condensateur, ni pour son type (électrochimique) ni
pour sa valeur (vue ci-avant).
Condensateur C2
: ce condensateur additionnel est ajouté en parallèle sur le
condensateur de filtrage principal C1, et doit être placé au plus près
du régulateur de tension (dire qu'on les met en parallèle ne signifie
pas qu'ils doivent être physiquement collés l'un à l'autre). Il sert à
améliorer la stabilité du régulateur et permet une meilleur réponse aux
transitoires (appels de courant importants et brefs). Il est conseillé
de le mettre si la distance entre le condensateur de filtrage principal
C1 et le régulateur de tension U1 est grande (supérieure à
5 cm,
pour donner un ordre de grandeur). Valeur conseillée "passe-partout" :
100 nF à 220 nF (une valeur supérieure n'apporte rien),
type céramique ou mylar.
Condensateur C4
régulateur fixe
: ce condensateur additionnel et facultatif doit aussi être placé au
plus près du régulateur
de tension. Il sert à améliorer la stabilité du régulateur et permet
une meilleur réponse aux transitoires, il joue donc un rôle similaire à
celui joué par C2. Valeur conseillée "passe-partout" : 100 nF.
Condensateur C4
régulateur ajustable
: avec certains types de régulteurs (tel le LM317), ce condensateur
additionnel et facultatif permet une meilleur réjection de l'ondulation
résiduelle. En clair, la tension de sortie régulée est plus "propre",
le résidu de signal alternatif y est plus faible. Valeur généralement
conseillée : quelques uF (au-delà d'une certaine valeur, le gain n'en
vaut plus vraiment la chandelle). Il est intéressant de noter que
certains fabricants déconseillent carrément d'en mettre un, au risque
de dégrader fortement les performances générales (c'est le cas du
TL783, régulateur ajustable haute tension).
Condensateur C3
: ce condensateur de type électrochimique aluminium ou tantale joue
plutôt un rôle de réservoir d'énergie pour la charge, c'est à dire pour
le circuit électronique qui tire profit de l'alimentation régulée. Sa
valeur est sujette à discussion, on lit parfois qu'elle ne doit pas
être trop élevée (par exemple 10 uF maximum) pour ne pas provoquer
d'appel de courant trop important à la mise en ou hors fonction
qui pourrait détruire le régulateur. Et on lit parfois qu'on
peut
augmenter sa valeur jusqu'à 100 uF ou même 1000 uF à condition
d'ajouter une diode de protection additionnelle entre l'entrée et la
sortie du régulateur pour protéger ce dernier (anode diode sur sortie
régulateur et cathode diode sur entrée régulateur si régulateur
positif, diode dans l'autre sens si régulateur négatif). Bref on peut
mettre une valeur élevée, mais avec une protection additionnelle par
diode. La position physique de ce condensateur est plutôt côté charge
que côté régulateur. Certains fabricants le disent facultatifs,
d'autres le disent indispensable avec une valeur minimale de 1 uF. Un
autre condensateur de valeur plus faible (10 nF à 100 nF) peut être
monté en parallèle sur ce condensateur C3, afin de limiter les
bruits haute fréquence (bande 10 Hz à 10 KHz) présents en sortie du
régulateur (condensateur lui aussi plutôt côté charge, et en complément
de C4 qui reste côté régulateur). Les spécialistes en audio n'hésitent
pas un instant à opter pour une valeur très élevée, comprise entre 1000
uF et 10000 uF (oui, vous avez bien lu). Il est évident dans ce cas que
la diode de protection montée en inverse entre sortie et entrée du
régulateur est absolument indispensable pour éviter la destruction du
régulateur lors de la coupure d'alimentation.
En
effet, le condensateur principal en entrée régulateur se décharge plus
vite que celui en sortie, et le régulateur voit alors une tension plus
importante sur sa sortie que sur son entrée, ce qu'il n'aime pas du
tout. La diode permet simplement de limiter la valeur de cette tension
"à l'envers" à quelque 0,6 V en entrant en conduction dans ce cas
anormal précis (en temps normal la diode reste bloquée).
Limites d'utilisation (tension d'entrée, courant,
température)
Tout régulateur est capable de supporter une tension sur son
entrée jusqu'à une certaine valeur (par exemple 35 V). De
même, tout régulateur est capable de délivrer un
courant maximal (par exemple 1 A ou 1,5 A). Les valeurs maximales
spécifiées par les fabricants ne doivent pas vous laisser
penser que l'on peut atteindre ces limites en toutes circonstances. Les
limites d'utilisation sont liées aux contraintes thermiques, car
un régulateur de tension chauffe. Et il peut chauffer beaucoup !
La dissipation thermique (l'échauffement) du composant est
proportionnelle à la différence de tension qui
règne entre son entrée et sa sortie, et du courant qui le
parcourt.
Tous les constructeurs donnent des indications techniques des
composants qu'ils fabriquent, dans un document qu'ils appellent
Datasheet (litéralement Feuille de données). Entre autres
paramètres, un est lié à la dissipation thermique
: il s'agit de la résistance thermique, qui spécifie de
combien de degrés va s'élever la température du
boitier pour une puissance dissipée donnée. Ce
paramètre est exprimé en °C/W (degrés Celcius
par Watt), par exemple 35°C/W quand il n'y a pas de radiateur. Avec
de telles valeurs, et même sans connaitre vraiment la thermique
sur le bout des doigts (ce qui est mon cas), on sent bien que le
composant va vite chauffer, même si on ne lui en demande pas
trop. Il est donc conseillé, la plupart du temps, d'effectuer un
refroidissement du composant pour l'utiliser avec le minimum de risques
(en cas de surchauffe, il se met en protection, ce qui est moins grave
que de griller, mais tout de même casse-pied). La méthode
de refroidissement la plus simple et la plus utilisée consiste
à ajouter une pièce mécanique additionnelle
appelée radiateur, le plus souvent en alu (parfois en cuivre),
qui va augmenter la surface d'échauffement et ainsi
répartir les calories, pour finalement diminuer la
température du composant lui-même. Plus le radiateur sera
gros et plus le refroidissement sera efficace (voir Radiateur -
calcul).
Il faut bien sûr
trouver le bon compromis entre espace physique disponible et
température à ne pas dépasser. Notez que les
régulateurs sont disponibles en plusieurs boitiers, les plus
connus sont les boitiers TO220 et TO3. De part son physique moins
"avantageux", le boitier TO3 est un peu moins "pratique" à
implanter, mais permet une meilleur dissipation thermique.
Prennons deux exemples pour y voir plus clair.
1er exemple : on utilise un régulateur de tension de 12 V auquel
on applique à l'entrée une tension de 16 V, et auquel on
demande de fournir un courant de 100 mA. La puissance dissipée
(P) dans ce cas est d'environ 0,4 W (Pwatt = U * I = 4 V * 0,1 A), un
petit radiateur suffit.
2ème exemple : on utilise un régulateur de tension de 5 V
auquel on applique à l'entrée une tension de 12V, et
auquel on demande de fournir un courant de 1 A. La puissance
dissipée (P) dans ce cas est d'environ 7 W (Pwatt = U * I = 7 V *
1 A), il faut un gros radiateur.
Amélioration du comportement des régulateurs
J'ai lu plusieurs articles (revues et livres spécialisés)
traitant du problème des condensateurs utilisés sur la
broche de programmation de la tension de sortie et en sortie du
régulateur. Je n'ai pas une très grande expérience
dans ce domaine, et ne prétend pas savoir ce qu'il faut faire
dans tous les cas. Voici tout de même ce que j'ai retenu et que
je trouve interressant à développer. Les condensateurs
d'aujourd'hui ne présentent pas les mêmes
caractéristiques électriques que les condensateurs
fabriqués dans les années 80. A l'époque, la
valeur de la résistance série des condensateurs
était plus importante, les condensateurs étaient "moins
bons". L'utilisation de condensateurs récents et "meilleurs"
(résistance série plus faible) peut parfois poser des
problèmes d'instabilité dans certaines configurations
(amplificateurs avec préamplificateurs à grand gain,
convertisseurs analogiques / numériques par exemple). Certains
auteurs ayant de l'expérience (il est important de le souligner)
conseillent d'ajouter une résistance de faible valeur avec les
condensateurs mentionnés ci-avant, afin de constituer un circuit
d'amortissement. Voici un exemple de schéma où de telles
résistances ont été ajoutée :
Il est possible que vous deviez expérimenter avec la valeur de
ces résistances. Mais de ce que j'ai pû trouver comme
infos, la résistance à ajouter au condensateur de la
broche de régulation est de l'ordre de 1 à 3 ohms, et la
résistance à ajouter au condensateur de sortie est de
l'ordre de quelques dizièmes d'ohms. Pour cette dernière,
la valeur dépend étroitement de la valeur du condensateur
et du type de circuit à alimenter.
Il
est également possible d'améliorer les choses côté entrée régulateur,
en insérant une résistance de valeur 1 ohms ou 2,2 ohms, entre le gros
condensateur de filtrage et l'entrée du régulateur. Bien entendu, la
puissance que doit pouvoir dissiper cette résistance doit être en
relation avec le courant qui la parcourt : une résistance de 1 ohms
parcourue par un courant continu de 1 A dissipe la coquette valeur de 1
W !
Câblage dans le monde réel (mise en pratique)
Les schémas présentés ci-avant semblent tout
simples à réaliser, ils sont "beaux" et ne font pas trop
peur. Par "beaux", je veux dire que les composants sont bien
alignés et que l'on pourrait se dire : "Bien, il faut mettre ces
composants, alors allons-y, commandons-les et soudons-les tels qu'ils
sont représentés". Mais il
faut savoir que certains de ces composants ne doivent pas être
placés n'importe comment. Essayons donc de redessiner le dernier
schéma à base de LM317 décrit quelques lignes
auparavant, en dessinant les connections telles qu'elles devraient
l'être dans la pratique.
Moins joli, n'est-ce pas ? On se rend mieux compte avec ce type de
schéma, que le cablage de la masse est important, de même
que le cablage des résistances déterminant la tension de
sortie. Surtout pour R1, qui doit vraiment "coller" au plus près
des broches du régulateur. En pratique, vous ne pouvez que
rarement adopter un cablage parfaitement "théorique", mais vous
pouvez vous en approcher en limitant au maximum la longueur des
liaisons, et en diminuant au plus possible la résistance
électrique des liaisons critiques, qui sont en
général celles où passent les plus forts courants
(ajout de soudure sur les pistes de cuivre du circuit imprimé -
qui déjà ne doivent pas être trop étroites,
utilisation de fil de cablage de section en relation avec les courants
mis en jeu).
Régulateurs à faible chute de tension
Les régulateurs de tension intégrés, qu'ils soient
de type
fixes ou ajustables, nécessitent (dans les versions les plus
répendues tout du moins), une différence de tension entre
la sortie et l'entrée qui est de l'ordre de 3V, pour pouvoir
fonctionner correctement. Ainsi, un régulateur classique de 12V
(un LM7812
par exemple) doit voir sur son entrée une tension d'au moins 15V
(12V + 3V) pour que la régulation puisse bien fonctionner. Cette
différence de tension minimale, appelée tension de
déchet, peut poser problème pour certains montages
alimentés sur pile ou consommant beaucoup de courant. C'est
pourquoi certains fabricants proposent des régulateurs de
tension à faible tension de déchet, qui peut descendre
à quelques dizièmes de volt (0,1V ou 0,5V par exemple).
Ces régulateurs sont
appelés LDO, pour Low Drop Out (faible chute de tension, 0,5V
par exemple), ou VLDO, pour Very Low Drop Out (0,1V par exemple).
Exemples de régulateurs LDO fixes et ajustables, courant max
1A
- Régulateur positif fixe +3,3 V : LM1086-CT-3.3
- Régulateur positif fixe +5 V à +15 V : LM2940-CTxx
(plusieurs références, LM2940-CT5
à LM2940-CT15)
- Regulateur positif fixe +15V Low Drop Out : LM2940CT-15
- Regulateur négatif fixe -15V Low Drop Out : LM2990CT-15
- Regulateur positif ajustable Low Drop Out : LM2941CT
ou LM2940CT
- Regulateur négatif ajustable Low Drop Out : LM2991
Exemple de régulateurs "miniature" LDO fixe, courant max 100
mA :
- Regulateur positif fixe +5V Low Drop Out : LP2950
Exemple de régulateur ajustable VLDO, courant max 1,5A :
- Régulateur positif ajustable +0.4V à +2.6V Very Low Drop
Out : LTC3026
Besoin de plus de courant ?
On trouve aussi les régulateurs positifs suivants :
- LT1086 pour1,5A
- LT1085 pour 3A
- LT1084 pour 5A
- LT1083 pour 7,5A
Brochages des régulateurs de tension
Comme vous pouvez (ou pourrez) le constater, beaucoup de
régulateurs partagent un brochage identique, ce qui est
particulièrement vrai pour les régulateur
linéaires classiques tels ceux des séries LM78xx ou
LM79xx. Attention cependant pour les régulateurs moins
conventionnels (régulateurs faible bruit ou faible chute de
tension), pour lesquels le brochage peut ête différent. De
toute façon, comme pour tout composants électronique
"polarisé", il convient de savoir mettre les bonnes pattes au
bon endroit, et pour cela, vous n'y échapperez pas, vous devrez
consulter le manuel constructeur. Ne pensez surtout pas "Je branche
dans un sens, et si ça ne marche pas, je branche dans l'autre
sens.". Mauvaise méthode, assurément, qui vous
coûtera des déboires et des sous.
Besoin de plus de courant ?
Les 1,5A du bon vieux LM317 ne suffisent pas ? Plusieurs solutions,
vous pouvez :
- Mettre plusieurs LM317 en parallèle, en insérant une
résistance de faible valeur (par exemple 0,1 ohm) en
série avec la sortie de chaque régulateur, pour
équilibrer les courants dans chaque régulateur.
- Utiliser des régulateurs qui offrent des
caractéristiques de régulation similaires à celles
de ce circuit, mais avec une capacité de courant de sortie
supérieure. Le LM350 conviendra pour un besoin jusqu'à
3A, le LM338 sera en mesure de vous fournir jusqu'à 5A. Ces deux
circuits (LM350 et LM338) possèdent le même brochage et le
même principe de fonctionnement que les LM317. Certains
concepteurs préfèrent utiliser ce type de
régulateurs plutôt que de recourir au gonflage d'un LM317,
pour continuer à bénéficier de la protection
contre surchauffe et court-circuit, protection que l'on n'a plus avec
le transistor additionnel. Il existe aussi le LM396, pour les plus
gourmands : 10A à lui seul, tout de même !
- "Gonfler" le régulateur avec un transistor de puissance
additionnel, tel que le montre l'exemple suivant où la sortie
peut délivrer une tension de +12V sous 5A.
Il est cependant important de savoir que ce type de montage n'est plus protégé
contre les court-circuits : le 78xx l'est toujours, mais pas le
transistor ! Il est possible d'ajouter quelques composants
pour
assurer une protection, mais cela complique évidement un peu le
montage. A vous de voir selon vos préférences, le
coût de revient et votre confiance dans la suite des
opérations, s'il vaut mieux ou non investir dans un
régulateur intégré 5A (comme pour ce montage d'alim
simple 12V
/ 5A).
Tension d'entrée trop élevée ?
Nous l'avons vu tout à l'heure, les régulateurs
intégrés accèptent de travailler avec une tension
maximale en entrée. Cette tension limite est de l'ordre de 35V
ou 37V pour les régulateurs standards (série LM78xx par
exemple). Il est toutefois possible d'utiliser de tels
régulateurs avec une tension d'entrée qui dépasse
leur valeur limite d'entrée, en ajoutant une
prérégulation où la tension est abaissée
à une valeur acceptable. Supposons par exemple que vous
souhaitiez obtenir une tension de 12V avec un LM7812, à partir
d'une tension de 48V. La tension à l'entrée du LM7812
doit être abaissée à une valeur qui limitera la
chute de tension aux bornes du régulateur (entre entrée
et sortie), ce qui peut être réalisé avec un
transistor additionnel, connecté comme montré ci-dessous.
Le choix de la tension "intermédiaire" de 18V (17,4V pour
être précis car il faut tenir compte de la chute de
tension BE du transistor) n'est pas très critique en soi, il
faut dans tous les cas tenir compte des dissipations thermiques dans le
régulateur et dans le transistor, qui s'additionnent. Disons que
même si cela n'est pas obligatoire, on peut
préférer faire dissiper plus au transistor, surtout si ce
dernier est un modèle de puissance avec un gros boitier, comme
le 2N3055 choisi ici. On peut aussi choisir de faire dissiper
moitié-moitié. Le choix est différent si vous
voulez partager une prérégulation avec plusieurs
régulations, c'est à dire si vous avez un transistor et
plusieurs régulateurs qui font suite, branchés en
parallèle. Dans ce dernier cas, il vaut mieux ne pas laisser
trop de chute de tension aux bornes du transistor, car ce dernier se
paie déjà la somme des courants de chaque
régulateur.
Autres solutions
- Utiliser un régulateur de tension acceptant d'origine une
tension élevée, comme le TL783 (entrée max 125 V),
que j'ai utilisé dans mon alimentation
Phantom 002.
- Utiliser une régulation
unique avec un seul transistor et pas de régulateur, comme
montré à la page Alimentation
symétrique 004. Dans ce cas, le transistor doit
accepter une tension VCE (tension collecteur-émetteur) au
moins égale à la différence de tension entre
entrée et sortie.
Remarque
point besoin
d'attendre que la tension d'entrée soit supérieure
à la tension max supportée par le régulateur pour
utiliser ce genre de configuration. Si le courant délivré
par le régulateur est assez important, une tension de
"seulement" 18V peut devenir trop importante pour un régulateur
5V, car la différence de potentiel entre son entrée et sa
sortie (18V - 5V = 13V), associée au courant
débité, occasionne une dissipation thermique qui peut
être déjà "trop" importante (pour 0,5A, ça
fait tout de même 6,5W).
Usage d'un régulateur ajustable pour réaliser une
alim de labo
Ce type de composant est bien tentant pour réaliser ce genre de
chose. Ainsi, la réalisation d'une alimentation dont la tension
de sortie est variable de 1,2V à 24V sous 1A est tout à
fait possible (et même très simple), mais il faut bien
garder à l'esprit l'importance de la dissipation thermique, qui
peut devenir très importante si la tension de sortie est faible
et le courant de sortie fort. Soit vous mettez en place un vigoureux
radiateur qui sort du boitier, soit vous utilisez un transformateur
avec deux secondaires : un seul utilisé pour la première
plage de tension (1,2 à 12V), ou les deux en série pour
la deuxième plage de tension (12V à 24V).
Combinaison de plusieurs régulateurs
Il est des cas où l'on ne dispose que d'une unique source de
tension et que l'on souhaite en obtenir deux tensions
régulées de valeurs différentes. Par exemple, on
dispose d'une tension continue (après redressement et filtrage)
de +20 V et l'on aimerait avoir une tension de +15 V et une tension de
+12 V, séparées. Doit-on ou peut-on mettre deux
régulateurs de tension en série ou en parallèle ?
Dans les faits, tout dépend de la consommation maximale attendue
sur les deux sorties, et de la dissipation de puissance acceptée
par chacun des régulateurs. Considérons les deux cas,
avec pour hypothèse que la sortie +15 V doit pouvoir
débiter 100 mA et que la sortie 12 V doit pouvoir débiter
500 mA, et que la source est capable de fournir tout ce qu'on lui
demande.
1er cas, mise en série des régulateurs
Dans ce cas, le premier régulateur (ici du type LM7815)
reçoit la tension non régulée de +20 V, et
délivre une tension de +15 V. Y fait directement suite un second
régulateur (ici de type LM7812) qui délivre la tension
régulée de +12 V. La chute de tension minimale requise
entre entrée et sortie de ce second régulateur est
limite, mais on considère ici qu'elle est suffisante pour
assurer une bonne régulation.
Le bilan des puissances dissipées est le suivant, sachant que le
premier régulateur doit supporter le courant de sa propre sortie
(100 mA) ainsi que le courant fourni par le régulateur 12 V (500
mA) :
- Pour le régulateur 15 V (U1), P = (20 - 15) * (0,1 + 0,5) = 3 W
- Pour le régulateur 12 V (U1), P = (15 - 12) * (0,5) = 1,5 W
2nd cas, mise en parallèle des régulateurs
Dans ce cas, les deux régulateurs de tension LM7815 et LM7812
reçoivent en même temps la tension non
régulée de +20 V.
Le bilan des puissances dissipées est le suivant, sachant que
les deux régulateurs travaillent cette fois de façon
indépendante, U1 doit pouvoir fournir 100
mA et U2 doit pouvoir fournir 500 mA :
- Pour le régulateur 15 V (U1), P = (20 - 15) * (0,1) = 0,5 W
- Pour le régulateur 12 V (U1), P = (20 - 12) * (0,5) = 4 W
Conclusion pour cet exemple précis
Ici, les deux configurations sont possibles car la tension
d'entrée de +20 V n'excède pas la tension d'entrée
maximale des régulateurs qui est de +35 V, et la puissance
dissipée par chacun d'eux peut être évacuée
moyennant l'usage de radiateurs
de refroidissements adéquat.
La mise en parallèle de deux régulateurs fournissant des
tensions très différentes pose le problème de la
tension "idéale" de la source : celui qui délivre la
tension la plus haute demande une tension d'entrée de 3 V
au-dessus, ce qui va causer une différence de potentielle
importante pour celui qui délivre la tension la plus basse. Pour
une même puissance dissipée, ce dernier ne pourra donc pas
fournir beaucoup de courant. La mise en série de deux
régulateurs pose le problème de la dissipation de
puissance du premier, si le second doit fournir beaucoup de courant,
car étant en tête il doit tout supporter. Il faut donc
voir laquelle des deux méthodes est la plus adaptée pour
chaque cas posé.
Exemple de mise en
pratique : alimentation
multiple 003.
Régulateurs à découpage
Les régulateurs dont j'ai parlé ci-avant sont tous de
type linéaires. Leur principal défaut est la dissipation
d'une puissance thermique qui peut être très importante
quand la tension non régulée est très
supérieure à la tension de sortie régulée,
et/ou quand le courant débité est important. A ce titre,
les régulateurs à découpage présentent un
meilleur rendement et moins de pertes, donc moins de dissipation
calorique. Pourquoi alors ne pas utiliser de façon
systématique un régulateur à découpage ? La
réponse est simple : si cette pratique du régulateur
à découpage est bien assimilée et de plus en plus
répendue dans le domaine professionnel, il n'en est pas de
même chez le particulier. Avez-vous déjà vu le
schéma d'une alimentation à découpage ? Si
oui, l'avez-vous trouvé complexe et avez-vous rapidement compris
son fonctionnement ? Pas évident, hein ? J'ai vu plusieurs
schémas d'alimentation à découpage : des simples,
"pour débutants" et des compliquées, "pour
professionnels". Dans tous les cas, j'ai senti une certaine
appréhension à la vue du schéma (même des
simples) et je n'ai pour cette raison jamais réalisé
d'alimentation à découpage de très forte puissance (j'en ai fait de
toutes petites pour alimentations
phantom et une petite
alim de quelques watts, ça s'est arrêté là). Le fait
est que j'ai travaillé avec des gens qui maitrisent les
alimentations à découpage (genre 48 V / 50 A), et que j'en ai
lu certaines bonnes à propos de certains régulateurs. Ce
que j'ai retenu (par le passé en tout cas, les choses ont bien
évolué), c'est que les régulateurs à
découpage intégrés qui permettaient de faire des
alimentations à découpage simples, fonctionnaient
très bien sur papier. Mais que la réalisation du circuit
réel était très critique et qu'il suffisait de peu
de choses pour que le montage ne fonctionne pas ou pour qu'une diode ou
un transistor de puissance vous saute à la figure. J'ai toujours
gardé cette peur de l'alimentation à découpage, et
c'est sans doute vraiment ridicule. Il me semble qu'il est possible
aujourd'hui, même pour un débutant, de réaliser une
petite alimentation à découpage (quelques ampères
max) sans trop de risques, car les circuits spécialisés
mis à disposition par les fabricants sont plus surs et plus
fiables (LM2575, LM2576, LM2577, LM2578, LM2595 par exemple). Je
vénère les concepteurs de tels circuits, car il s'agit
vraiment d'un travail de conception difficile et délicat, qui
demande une bonne expérience de ce genre de circuiterie. Enfin,
on ne change pas les gens comme ça. J'ai peur des alimentations
à découpage, et j'ai un bon stock de régulateurs
linéaires. Ce n'est pas fait pour arranger les choses, n'est-ce
pas ?
