CIRCUITS D'ALIMENTATION
1. Introduction
1.1. Fonction d’une source d’alimentation : tout équipement électronique a besoin d’une source d’alimentation en courant continu qui peut être une pile ou une batterie, mais qui généralement est constituée d’un circuit transformant le courant alternatif du secteur (120 volts, 60 Hz) en courant continu. Le rôle d’une alimentation continue est de fournir les tensions et courants nécessaires au fonctionnement de l’équipement électronique avec le minimum d’ondulations résiduelles et la meilleure régulation possible. La tension fournie doit rester stable quelles que soient les conditions de charge de l’alimentation dans ses limites nominales et les irrégularités du secteur.
1.2. Régulation en tension et régulation en courant
a/ La régulation en tension consiste à maintenir la tension de sortie constante quel que soit le courant demandé par la charge.
Source de tension idéale :
Source de tension réelle :
b/ La régulation en courant consiste à fournir un courant constant à la charge quelle que soit sa valeur.
Une source de courant à faible débit peut être obtenue à partir d’une source de tension
c/ Régulation en courant utilisée dans les circuits intégrés : L'utilisation d'une source à courant constant pour polariser un transistor est certainement une des façons les plus sûrs pour obtenir un point de polarisation Q au centre de la droite de charge puisque la source de courant assure un courant de polarisation IC constant dans le transistor Q1 (voir figure suivante), indépendamment des variations de la valeur de son gain en courant (Bêta). Ici le transistor Q1 sert de charge pour la source de courant (Q2 et DZ).
1.3. Procédés de régulation
Deux méthodes sont employées pour produire une tension continue stable à partir d’une tension alternative :
- La régulation linéaire qui se décompose en :
Régulation série
Régulation shunt
- La régulation à découpage
Toutes deux ont leurs avantages et leurs inconvénients. L’alimentation à découpage (switching power supply) est plus compacte et s’utilise essentiellement dans le domaine des puissances élevées.
1.4. Différentes étapes d’une source d’alimentation linéaire et leur rôle
Le bloc d’alimentation convertissant le courant alternatif en courant continu est, sans contredit, le plus utilisé. La plupart des circuits électroniques, exigent du courant continu. Ce type de bloc d’alimentation permet l’utilisation de la ligne standard à 60 Hz pour fournir la puissance requise aux circuits électroniques. La plupart des blocs d’alimentation alternatif-continu se composent d’un système semblable à celui-ci.
- Le transformateur : il remplit deux fonctions :
Isolement entre l’équipement et le secteur ;
Transformation de la tension alternative (120 volts, 60 Hz) en une tension plus faible ou plus élevée selon le cas.
- Le redresseur : il convertit la tension alternative du secondaire du transformateur en impulsions unidirectionnelles positives ou négatives selon le cas.
- À la suite du redresseur se trouve le filtre qui sert à lisser le courant redressé brut fourni par le redresseur sous forme d’impulsions. Ce circuit comporte en général un condensateur mais il est conçu avec bobine lorsque des débits importants sont prévus (grands courants).
- Le dernier bloc est le régulateur dont le but est de maintenir la tension de sortie stable quel que soit le débit de l’alimentation et quelle que soit la tension d’entrée secteur.
Tous les régulateurs linéaires comprennent les éléments suivants :
Circuit de régulation
Élément de référence (diode zener en général)
Circuit d’erreur rebouclé sur la régulation
2. Les redresseurs
Leur rôle est de convertir un signal alternatif en un signal continu pulsé. Il existe trois types de redresseurs :
2.1. Redresseur demi-onde :
2.2. Redresseur pleine onde avec transformateur à point milieu (Center Tap) :
2.3. Redresseur pleine onde avec pont de diodes :
3. Les filtres
3.1. Généralités :
Les petites variations qui apparaissent à la sortie du bloc d’alimentation sont appelées ondulations. Ce sont des composantes de la tension alternative et font partie de la tension continue, à la sortie du filtre. L’ondulation peut s’exprimer en volts ou en pourcentage de la tension de sortie. Plus l’ondulation est faible, plus la tension de sortie est pure.
3.2. Filtre RC (résistance-capacité) :
Le circuit de filtrage le plus souvent utilisé dans une alimentation est le filtre RC qui comprend une résistance de filtrage RF, les condensateurs de filtrage d’entrée et de sortie CE et CS, la résistance de surintensité RS et la résistance de décharge RD.
- La majeure partie du filtrage est effectuée par le condensateur CE. Lors de la mise sous tension de l’alimentation, le condensateur agit comme un court-circuit et un fort courant instantané traverse le redresseur, c’est pourquoi on utilise une résistance de surintensité RS (facultative) afin de limiter le courant à une valeur sécuritaire (ordre de 100Ω).
- La résistance RF n’effectue en fait aucun filtrage. Elle crée essentiellement une différence de potentiel, dépendante de l’intensité de courant, entre les condensateurs d’entrée et de sortie. Les valeurs de RF sont ordinairement comprises entre 1 KΩ et 5 KΩ .
- Le condensateur de filtrage CS s’ajoute au condensateur d’entrée CE.
- La résistance de fuite RD montée en parallèle avec CS ne participe pas au filtrage. Elle fournit toutefois un trajet de décharge pour les condensateurs lorsque l’on coupe l’alimentation.
3.3. Filtre à condensateur en tête :
Il est identique au précédent sauf que le résistance RF est remplacée par une bobine LF. Les valeurs de CE et CS peuvent être inférieures étant donné que ces condensateurs n’ont pas à assurer la totalité du filtrage. En raison de son action inductive, la bobine LF assure un filtrage poussé des ondulations résiduelles alternatives. La présence de LF assure au filtre une efficacité supérieure à celle du filtre RC. LF a ordinairement une valeur de 5 à 20 H. Ce filtre est aussi appelé filtre en π. La résistance interne de la bobine est de l’ordre de 50 à 100 Ω .
3.4. Filtre à self en tête :
Comme son nom l’indique, le premier élément du filtre est constitué par une bobine de filtrage, ou self.
La bobine L1 assure une forte opposition à la surintensité transitoire d’entrée quand l’alimentation est mise sous tension. En raison de cette opposition, aucune résistance de surintensité n’est nécessaire dans ce filtre pour protéger les diodes du redresseur.
La présence de L1 en amont de CE réduit le niveau de tension auquel CE peut se charger. Par suite, la stabilisation d’un filtre à self en tête est supérieure à celle d’un filtre condensateur en tête. La seconde bobine L2 contribue à l’efficacité du filtrage et de la réduction des ondulations. La bobine L1 a ordinairement une valeur de l’ordre de 4 à 10 H.
3.5. Exercices :
Lorsqu’on conçoit un filtre à condensateur en tête, il faut choisir un condensateur à capacité suffisamment grande pour avoir une petite ondulation. Mais quand l’ondulation est-elle petite ? Cela dépend de l’encombrement du condensateur que l’on désire utiliser. Plus l’ondulation décroît, plus le condensateur est volumineux et cher. En guise de compromis entre une petite ondulation et une grande capacité, de nombreux concepteurs utilisent la règle du 10 % qui conseille de choisir un condensateur qui maintient l’ondulation crête à crête à environ 10 % de la tension de crête. Une telle ondulation semble trop grande mais il n’en est rien. On améliore le filtrage à l’aide d’un régulateur de tension.
Exercice 1 : Soit le circuit suivant :
Choisir le condensateur C (capacité normalisée la plus proche) du filtre de la figure précédente pour obtenir une ondulation d’environ 10 % de la tension de charge pour une résistance RL de 3.9 KΩ.
------------------
VS crête = 12.6 / 0.707 = 17.82 volts
V RL = VS crête - 0.7 = 17.82 - 0.7 = 17.12 volts
F out = 60 Hz (redressement demi-onde)
Vond = 10 % de V RL = 0.1 x 17.12 = 1.7 volts
C = I out / F x Vond Avec I = V RL / RL = 17.12 / 3900 = 4.39 mA
C = 4.39 mA / 60 x 1.7 = 43 µF (47 µF normalisée).
Exercice 2 : soit le circuit suivant :
Choisir le condensateur C (capacité normalisée la plus proche) du filtre de la figure précédente pour obtenir une ondulation d’environ 10 % de la tension de charge.
-----------------
VS crête = 36 / 0.707 = 50.9 volts
V RL = VS crête - 1.4 = 50.9 - 1.4 = 49.5 volts
F out = 1200 Hz (redressement pleine onde)
Vond = 10 % de V RL = 0.1 x 49.5 = 4.95 volts
C = I out / F x Vond Avec I = V RL / RL = 49.5 / 100 = 495 mA
C = 495 mA / 120 x 4.95 = 833 µF (1000 µF normalisée).
4. Doubleur de tension (redressement et filtrage)
Pour un transformateur donné, la tension égale le double de celle d’un redresseur crête de type standard.
Cela est utile lorsqu’on essaye de produire des hautes tensions (d’au moins plusieurs centaines de volts). Pourquoi ? Parce que des tensions secondaires plus élevées exigent de plus gros transformateurs. Néanmoins, ces circuits ne sont utilisables que si les courants sont faibles (résistances de charge élevées tels que les tubes à rayons cathodiques des TV, oscilloscopes et moniteurs d’ordinateurs).
4.1. Doubleur de tension demi-onde :
Durant l’alternance négative du signal, le condensateur C1 se charge à la tension de crête (Vp). Durant l’alternance positive, le condensateur C2 se charge à travers la diode D2 à la tension 2Vp (Vp du transformateur en série avec Vp du condensateur C1). Si RL a une faible valeur, le condensateur C2 risque de s’y décharger. La constante de temps RLC2 doit être grande devant la période du signal d’entrée. Un tel dispositif est appelé doubleur à une alternance ou demi-onde Parce que le condensateur de sortie C2 ne se charge qu’une fois par cycle. La fréquence d’ondulation est donc de 60 Hz.
Exercice : On désire une tension de sortie de 24 volts avec une charge de 10 KΩ. Déterminez la valeur de C.
--------
I = V / R = 24 / 10 000 = 2.4 mA
Vond = 10 % de 24 volts = 0.1 x 24 = 2.4 volts
C = Iout / F x Vond = 2.4 mA / 60 x 2.4 = 16 µF (22 µF normalisée)
4.2. Doubleur de tension pleine onde :
Durant l’alternance positive de la source, le condensateur C1 se charge à la tension de crête selon la polarité indiquée. Durant l’alternance suivante (négative), le condensateur C2 se charge jusqu’à Vp. On appelle ce circuit doubleur de tension pleine onde ou à deux alternances parce qu’un condensateur de sortie se charge durant chaque alternance. La fréquence d’ondulation est donc de 120 Hz. Une telle fréquence est avantageuse, car son filtrage est plus facile.
5. Stabilisation et régulation de tension
Circuit élémentaire de stabilisation
Comparaison entre le régulateur série et le régulateur shunt
5.1. Nécessité : la charge appliquée à l’alimentation est susceptible de varier au cours du fonctionnement pour satisfaire aux besoins de l’appareil (plus de volume, plus de lumière, plus de contraste etc.). Cette variation de charge est courante pour les appareils. Pour minimiser les effets de variations de charge sur l’alimentation, on introduit un dispositif appelé stabilisateur de tension entre le filtre et la charge. Ceci donne lieu à une plus longue durée de vie des composants et à une interruption moins fréquente de service.
5.2. Dispositif de stabilisation : les variations de débit d’une alimentation peuvent être causées par les trois facteurs suivants :
- Instabilité de la source d’alimentation (réseau d’hydro-Québec) ;
- Écarts de température ;
- Changements de charges.
Un stabilisateur de tension idéal doit être susceptible de compenser ces trois facteurs. Le cœur d’un circuit de stabilisation de tension est constitué par le dispositif le plus répandu : la diode zener.
5.3. La diode zener : elle est montée dans le circuit de façon que son anode est reliée au négatif et sa cathode au positif.
5.4. Circuit élémentaire de stabilisation :
Pour exercer son rôle de stabilisateur de tension, une diode zener doit être traversée par un courant de polarisation (de l’ordre de 20 mA pour les diodes de puissance inférieure à 1 watt) et sa tension d’alimentation doit être supérieure à sa tension de zener. Une résistance de limitation de courant Rs doit toujours précéder une zener afin de la protéger.
I Rs = 40 mA + 20 mA = 60 mA (cas le plus défavorable)
Rs = (36 - 24) / 60 mA = 200 Ω
5.5. Régulateur série :
5.5.1. Régulateur série simple : Les circuits électroniques exigent souvent une alimentation qui se maintient constante, indépendamment des variations que peut subir la tension du secteur et des variations du courant absorbé par la charge. Il existe différents moyens pour parvenir à une alimentation stabilisée. Le plus simple est sans aucun doute celui qui fait usage d’un transistor disposé en série avec la charge. Ce dernier appelé aussi transistor ballast se comporte comme une résistance variable dont la valeur s’adapte automatiquement aux variations qui peuvent se manifester dans le circuit de sorte que la tension de sortie se maintienne à la valeur choisie.
La résistance RL doit être supérieure à 100 Ω pour éviter de détruire le transistor série.
Si la tension de sortie VOUT tend à augmenter, la tension VBE diminue, ce qui entraîne une conduction moindre du transistor en série . Mais si le transistor conduit moins, la chute de tension entre collecteur et émetteur augmente, équilibrant instantanément la variation aux bornes de la charge qui est ainsi alimentée à tension constante.
VZ = VOUT + VBE
VZ étant constante, l’augmentation de VOUT fait diminuer la tension VBE et la diminution de VOUT fait augmenter VBE. Dans le premier cas VCE augmente et dans le deuxième cas VCE diminue rétablissant la tension de sortie existant initialement.
Il est nécessaire de choisir le transistor en considérant qu’il doit dissiper une puissance :
P = (VIN - VOUT) x IOUT
Pour un courant de sortie de 40 mA, le transistor doit pouvoir dissiper une puissance de :
P = (12 - 5) x 40 mA = 7 x 40 mA = 280 mW
5.5.2. Utilisation de deux transistors : si le gain en courant du transistor ballast est trop faible, on risque de trop consommer sur la zener et d’abaisser ainsi la référence aux consommations élevées de la charge, ce qui a pour effet d’abaisser la tension de sortie. Pour éviter cet inconvénient, on utilise généralement deux transistors en configuration darlington.
Le transistor Q2 va enlever moins de courant à la zener (β1 fois moins car IB1 = β1 IB2).
5.5.3. Schéma bloc d’un régulateur linéaire série : le dernier bloc d’une alimentation stabilisée est le régulateur dont le but est de maintenir la tension de sortie quel que soit le débit de l’alimentation ou la tension d’entrée secteur. Tous les régulateurs linéaires comprennent les éléments suivants :
Un élément de réglage qui est un transistor, qui sert à absorber la d.d.p. entre l’entrée et la sortie. Il est placé en série dans la ligne d’alimentation d’où le nom de stabilisateur série.
Un élément de référence qui est une diode zener qui va fournir une tension stable.
Un diviseur de tension qui permet de prélever une portion de la tension de sortie.
Un amplificateur d’erreur qui détecte toute variation de la tension de sortie et permet de commander l’élément de réglage qui va réajuster cette tension.
L’avantage essentiel du régulateur linéaire est que la sortie est contrôlée en permanence afin d’obtenir une bonne stabilisation et une régulation efficace.
L’inconvénient des alimentations à régulation linéaire est que leur bon fonctionnement est obtenu au prix du rendement. Le transistor série contrôlant le débit dissipe de la puissance, et cette perte de puissance est d’autant plus importante que le courant de charge augmente. Un radiateur correctement dimensionné est nécessaire pour maintenir à une valeur raisonnable la température du transistor. Dès que l’on dépasse 100 watts, l’alimentation à découpage est préférable.
5.5.4. Alimentation à régulation linéaire série : cette alimentation comprend la plupart des éléments énumérés précédemment.
La tension de référence est fournie par la zener 1N4733 de 5.1 volts. Q2 est l’amplificateur d’erreur qui compare une portion de la tension de sortie (V4) avec la référence. Q1 est le transistor série qui joue le rôle d’une résistance variable et absorbe toute variation de tension pour maintenir VOUT constante.
La résistance R1 permet de polariser et de protéger la diode zener Dz. La tension à ses bornes est de : V1 = VIN - VDZ = 20 - 5.1 = 14.9 volts d’où IR1 = V1 / R1 = 14.9 / 680 = 21.9 mA
La résistance R2 permet de polariser le transistor Q1. La tension à ses bornes est
V2 = VIN - VB1 avec VB1 = VOUT + VBE1 = VOUT + 0.7
VOUT = ?
Le courant de base du transistor Q2 est négligeable devant le courant du diviseur de tension formé de R3 et R4 d’où VOUT = (R3 + R4) x I3 = (R3 + R4) x I4
V4 = VZ + VBE2 = VZ + 0.7 = 5.1 +0.7 = 5.8 volts
I4 = I3 = V4 / R4 = 5.8 / 3200 = 1.81 mA
V3 = R3 x I3 = 2200 x 1.81 mA = 3.98 volts
VOUT = V4 + V3 = 5.8 + 3.98 = 9.78 volts
VB1 = VOUT + 0.7 = 9.78 + 0.7 = 10.5 volts
V2 = VIN - VB1 = 20 - 10.5 = 9.5 volts
I2 = V2 / R2 = 9.5 / 2200 = 4.32 mA
Si la tension de sortie augmente, le courant I3 = I4 augmente. La tension à la base du transistor Q2 augmente ce qui augmente son courant de base IB2.
IC2 = β x IB2. Le courant de collecteur du transistor Q2 augmente proportionnellement au courant IB2. L’excédant de courant dans le collecteur de Q2 est prélevé de la base du transistor Q1.
Comme IB1 diminue alors IC1 diminue également ce qui fait diminuer le courant de sortie et abaisse la tension de sortie pour la ramener à sa valeur normale.
5.5.5. Caractéristiques d’une alimentation
Ondulation résiduelle : c’est la tension alternative que l’on mesure à la sortie à pleine charge.
Exemple : une variation de 10 volts de la tension secteur provoque une variation de 1 mV de la tension de sortie. La stabilisation secteur est de 0.01 %
Régulation : c’est la différence entre la tension continue de sortie à vide et la tension continue de sortie à pleine charge.
Exemple : Tension continue à vide = 9.78 volts
Tension continue à pleine charge = 9.70 volts
Régulation = 9.78 - 9.70 = 0.08 volts soit 80 mV
En général, la régulation est exprimée en pour-cent :
Tension de sortie à vide - tension de sortie en charge
Régulation (%) = ---------------------------------------------------------------- x 100 = 0.82 %
Tension de sortie à vide
5.5.6. Alimentation stabilisée sans diode zener :
5.6. Régulateur shunt :
Ce circuit est appelé stabilisateur shunt, étant donné que tous les éléments du stabilisateur sont en parallèle ou en shunt avec la charge. La combinaison Q1-Q2 constitue un amplificateur de courant à gain élevé.
La résistance RS doit être choisie de telle sorte que, lorsque la tension de sortie est au niveau désiré, le produit RS par le courant consommé donne la chute de tension voulue.
Exemple : VIN = 30 V, VOUT = 25 V et ITOTAL = 100 mA
RS = (30-25) / 100 mA = 50 Ω et PR = V x I = 5 x 100 mA = 0.5 watt
La zener et les deux transistors permettent de maintenir l’équilibre de la tension de sortie. La variation de courant dans le stabilisateur s’oppose à la variation du courant initial.
En effet si VOUT augmente, la tension de base de Q1 augmente, ce qui augmente le courant de base, de même que le courant d’émetteur. Le courant d’émetteur de Q1 étant le courant de base de Q2, l’augmentation de VOUT augmente aussi le courant de collecteur de Q2.
L’augmentation de IOUT, IC1 et IC2 augmente le courant qui circule dans RS et par la même la d.d.p. à ses bornes, ce qui a pour effet de diminuer VOUT et donc de rétablir l’équilibre.
5.7. Comparaison entre le régulateur série et le régulateur shunt :
Puissance dissipée dans le transistor P = VCE x IC = 5 x 1 = 5 watts
La perte est dans ce cas de 5 watts.
Pour la même perte de 5 watts dans le régulateur shunt, quelle est la valeur du courant de sortie ?
P = RS x I2 => I2 = P / RS = 5 / 50 = 0.1 => I = 0.316 A = 316 mA
La chute de tension aux bornes de RS est alors VRS = RS x I = 50 x 0.316 =15.8 V
La tension de sortie n’est plus régulée, elle vaut VOUT = 30 - 15.8 = 14.2 volts
Les stabilisateurs de tension shunt ne conviennent que pour des courants de charge faibles ou moyens.
5.8. Régulateurs intégrés à trois bornes :
La dernière génération des régulateurs de tension intégrés ne comporte que trois broches : une pour la tension non régulée d’entrée, une pour la tension régulée de sortie et une pour la masse. Le courant de charge des nouveaux régulateurs va de 100 mA à plus de 3 A (LM78L05 => 100mA, LM78M05 => 1A, LM317 => 1.5A, LLM340K5 => 5A).
Offerts dans des boîtiers en plastique ou en métal, les régulateurs à trois bornes sont faciles à utiliser et sont d’un prix modique. À l’exception des condensateurs de découplage, les nouveaux régulateurs de tension intégrés à trois bornes ne requièrent aucun composant externe.
Si le régulateur est à plus de quelques centimètres du condensateur de filtrage de l’alimentation non régulée, l’inductance des conducteurs peut faire osciller le régulateur. Voilà pourquoi on monte souvent un condensateur de découplage C1 sur la broche 1.
Pour améliorer la régulation de sortie, on monte parfois un condensateur de découplage C2.
La capacité typique de ces condensateurs de découplage va de 0.1 µF à 1 µF.
La série LM recommande 0.22 µF pour C1 et 0.1µF pour C2.
La tension d’entrée de tous les régulateurs de la série LM doit être supérieure d’au moins 2 à 3 volts à la tension régulée de sortie, sinon ils ne régulent pas.
La puissance dissipée admissible limite la tension d’entrée. Elle est de l’ordre de 35 volts pour la série LM.
La série 78XX possède des tensions de sortie positives alors que la tension de sortie des régulateurs de la série 79XX est négative
5.8.1 Alimentation réglable à l’aide d’un régulateur de tension fixe : l’ajout de composants externes permet de régler la tension de sortie. La borne commune n’est pas mise à la masse, mais connectée au sommet de R2. La sortie régulée est aux bornes de R1 et sa valeur est fixe et égale à la tension du régulateur utilisé. Exemple V RÉG = +5V pour un LM7805, +12V pour un LM7812, -9V pour un LM7909 etc. Un courant de repos négligeable traverse la borne 2.
VOUT = V1 + V2 avec V1 = V RÉG.
Le courant de repos du régulateur IQ est très faible devant le courant qui circule dans le diviseur de tension formé de R1 et R2 donc le courant I1 est égal au courant I2
V RÉG
I1 = ----------
R1
V RÉG
V2 = R2 x I2 = R2 x I1 = R2 x ---------
R1
V RÉG R2
VOUT = V1 + V2 = V RÉG + R2 x --------- = V RÉG ( 1 + ----- )
R1 R1
V RÉG = 5 volts dans le cas de la figure précédente (LM7805).
Exercice : considérer le schéma précédent dans lequel R1 = R2 = 5KΩ . Calculer VOUT minimum et VOUT maximum.
-----------
VOUT est minimum lorsque R2 =0, il est maximum lorsque R2 = 5KΩ
VOUT min = [(0 +5000) / 5000] x 5 = 5 volts
VOUT max = [(5000+5000) / 5000] x 5 = 10 volts
5.8.2. Régulateur de courant : la résistance de charge est branchée à la place de R2
La tension aux bornes de R1 est constante et égale à 5 volts, le courant qui y circule est aussi constant. En négligeant le courant qui sort de la broche 2, le courant de charge est le même que le courant qui circule dans R1. Si R1 = 50 Ω , le courant dans la charge peu importe la valeur de RL sera toujours :
IRL = V RÉG / R1 = 5 / 50 = 100 mA
5.8.3. Régulateurs ajustables comme le LM317, LM 338 ou LM350 : ils se présentent dans les mêmes boîtiers que ceux de la série LM78XX et LM 79XX à la seule différence que les broches sont marquées IN, OUT et ADJ. Le courant maximum de ces régulateurs va de 1.5 à 5 ampères et la tension stable entre les broches ADJ et OUT est de 1.25 volts.
R2
VOUT = 1.25 x ( ---- + 1)
R1
5.8.4. Régulation par amplification
Une diode zener alimentée en courant constant est capable de fournir une tension stable. Il suffit de recopier ou d’amplifier cette tension par un amplificateur capable de fournir un fort courant pour réaliser une alimentation stabilisée de tension.
Le schéma de principe ci-dessous est celui de la plupart des alimentations :
L’amplificateur opérationnel A est associé à un transistor qui fournit le courant de sortie. Ce transistor joue le rôle de résistance variable, la tension à ses bornes est (VIN – VOUT), il dissipe donc une puissance (VIN – VOUT) IOUT, IOUT étant le courant de sortie.
Avec ce montage la tension de sortie est fixe et égale à la tension de référence aux bornes de la zener, il est possible d’obtenir une tension variable en modifiant le gain de l’amplificateur. Si la tension de sortie est plus grande que la tension de zener, il est possible d’alimenter la diode de référence par une résistance connectée en sortie comme le montre la figure suivante.
Il existe sur le marché des composants construits sur ce principe et qui permettent de fabriquer très facilement des alimentations stabilisées, ce sont les circuits des familles 78XX (pour les tensions positives) et 79XX (pour les tensions négatives). (XX) est la tension de sortie choisie dans la liste 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18 et 24 volts.
6. Les circuits de protection
6.1. Les fusibles : comme techniciens vous aurez à remplacer des fusibles sur une base régulière. Les fusibles brûlent lorsqu’il y a trop de courant qui les traverse.
6.1.1. Fusible en verre : le type de fusible le plus employé dans l’industrie est sans doute le fusible à cartouche de verre. Il se compose d’un fil fin métallique qui a une température de fusion relativement basse. Le fil est contenu dans un cylindre de verre terminé par deux capuchons de métal, qui servent d’électrodes de connexion. Le tube de verre sert à contenir le métal en fusion lors de la rupture du fusible, ce qui protège l’équipement et prévient les incendies.
La cartouche peut être faite de céramique, de porcelaine ou d’autres substances non conductrices comme les fibres de carton. Les fusibles ne sont pas étanches, les capuchons sont scellés avec de la colle. Afin d’avoir un contrôle sur la chaleur et les arcs électriques, les fabricants vont remplir le cylindre de substances, tel le sable, pour absorber la chaleur ou l’éclair.
Il existe deux types de fusibles :
Les fusibles à action différée
Les fusibles à action rapide
6.1.2. Fusibles à action différée (slow blow) : ces fusibles sont dits anti-surcharge, à action différée ou à retardement. Le fusible prend plus de temps avant d’être détruit. Ce type est reconnaissable par la forme du fil fusible dans l’enveloppe de verre. Généralement le fil fusible est relié à un ressort par une granule à faible température de fusion.
Quelquefois on pourra même voir une résistance d’une dizaine d’ohms pour aider à faire fondre la granule. Les fusibles "slow blow" sont employés dans les circuits où le courant initial est plus élevé que le courant d’opération (moteurs, blocs d’alimentation).
6.1.3. Fusibles à action rapide (fast blow) : ces fusibles ne tolèrent pas les surcharges. Généralement, ils sont fabriqués avec un fil fusible très fin. Ils sont utilisés sur des cartes de circuit imprimé et sont souvent combinés avec des protections à thyristors appelées "crowbar".
Le thyristor court-circuitera la tension de sortie d’une alimentation lors d’une surcharge et fera ouvrir le fusible, protégeant ainsi le circuit.
6.1.4. Caractéristiques : les caractéristiques courant-tension d’un fusible sont généralement inscrites sur le capuchon du fusible.
Remarque : il arrive qu’un fusible se détruise sans qu’il y ait eu surcharge. Le stress (tension) mécanique engendré par la fréquence du courant, les surcharges de courte durée font en sorte que le fusible se brise. Donc un fusible sauté ne veut pas nécessairement dire qu’une panne existe.
6.2. Disjoncteur thermique : son principe repose sur la déformation, sous l’effet de la chaleur, d’une pièce métallique appelée bilame et constituée de deux lames dont les coefficients de dilatation linéaire sont différents : nickel et fer ; chrome et fer ...
L’une des extrémités de la lame est fixe alors que l’autre est libre de se mouvoir. Lorsque la bilame est soumise à une élévation de température, l’extrémité libre se déplace avec une force F. Le déclenchement a lieu par l’intermédiaire d’une chaîne cinématique agissant sur le mécanisme d’ouverture du disjoncteur.
6.3. Disjoncteur électronique : lorsqu’un court circuit accidentel se produit en sortie d’une alimentation de tension, le régulateur qui cherche à tout prix à maintenir une tension de sortie égale à sa tension de consigne (VRÉG) voit son courant de sortie s’accroître considérablement jusqu’à parfois provoquer la destruction du transistor ballast. Aucun fusible n’est assez rapide pour protéger les composants. Il faut alors faire appel à un disjoncteur électronique dont le principe est le suivant :
Le courant de sortie traverse la résistance R, tant que la tension RIS à ses bornes est inférieure à 0.6 volt le transistor Q1 est bloqué ainsi que Q2. Ces deux transistors ne jouent alors aucun rôle. Si par contre le courant atteint une valeur telle que RIS = 0.6V, Q1 commence à conduire, faisant conduire à son tour Q2 qui court-circuite la diode zener, abaissant la tension à ses bornes donc la tension de sortie. En présence d’un court circuit de sortie le courant est limité à 0.6/R. Les résistances R2 et R1 n’ont qu’un rôle de protection, typiquement R1 = 100Ω et R2=1KΩ .