R gulateurs de tension
Utilit du r gulateur de tension
Tr s facile mettre en oeuvre, tr s fiable et qui plus est, peu on reux, un r gulateur de
tension int gr est un composant semi-conducteur dont le r le consiste rendre quasi
continue une tension qui pr sente une ondulation (issue d'un pont redresseur, par exemple) et
stabiliser sa valeur.
Cette r gulation s'op re en amont et en aval: en amont car la tension d'entr e Vin peut fluctuer
et en aval car la charge branch e aux bornes de Vout peut elle aussi varier (variation du
courant d bit ).
Sch ma tr s classique d'une alimentation avec r gulateur (not REG). On voit que le
r gulateur de tension est pr c d par le transfo abaisseur, le pont redresseur et le condensateur
de filtrage lectrochimique. Les deux autres condensateurs sont facultatifs, mais souvent
conseill s (voir ci-dessous). La DEL sert ici visualiser la pr sence de la tension de sortie Vs.
Les diff rents mod les de r gulateurs
Il existe pour l'essentiel deux grandes familles de r gulateurs de tension:
"
"
tension de sortie Vout fixe
tension de sortie Vout variable.
Au passage, notons qu'un r gulateur variable tel que le LM317 peut tr s bien faire office de
r gulateur fixe (on remplace alors le potentiom tre associ par une simple r sistance).
Dans chacune de ces familles, on trouve des mod les "faible courant" et des mod les plus
puissants, capables de d biter de 1 A 2 A , voire davantage.
On trouve galement des r gulateurs fournissant des tensions positives ou n gatives (pour
l'alimentation sym trique d'un AOP, par exemple).
Choisir un r gulateur de tension
Compte tenu de ce qui a t dit ci-dessus (r gulateur fixe ou variable, positif ou n gatif), le
choix d'un mod le particulier repose sur quelques crit res d termin s par le cahier des charges
de l'alimentation r aliser.
La tension de sortie Vout: c'est le principal crit re de choix, puisqu'il correspond la tension
d sir e. Ainsi, pour une tension de + 5 V, on choisira un 7805 ou un 78LO5, selon le courant
n cessaire. Si on d sire une tension variable, de 3 12 V par exemple, on s'orientera vers un
LM 317 ou un L 200.
Nota: la tension d'entr e Vin doit toujours tre sup rieure de 2 3 V la tension de sortie
Vout: 7 V pour un 7805, 27 V pour un 7824... La diff rence correspond la chute de tension
interne (Vdrop).
Quant la tension maximale en entr e Vin, elle va jusqu' 25 V pour un 7805 et 38 V pour
un 7824.
Le courant de sortie: un 78L05 peut d biter 100 mA , tandis qu'un 7805 est capable de
fournir 1 A en permanence.
La tol rance: indiqu e par une lettre ("C" le plus souvent), elle est en g n ral meilleure que
5%. Soit, pour un 7805, une tension de sortie comprise entre 4,75 V et 5,25 V. Mais dans la
pratique, on observera que la tension d livr e est souvent tr s proche de la valeur nominale
(4,97 V pour un 7805, lorsque le courant d bit n'est pas tr s lev ).
A noter cependant que la valeur nominale est v rifi e 25 C et qu'une l vation de
temp rature d grade, comme toujours, les performances du r gulateur (- 1 mV/ C typique).
C'est pourquoi un radiateur, viss sur le bo tier, est recommand chaque fois qu'il y a risque
d' chauffement important.
Lire une fiche technique
Parmi les param tres que l'on rencontre fr quemment dans une "data sheet" de fabricant,
mentionnons:
Input regulation (ou Line Regulation): exprime en mV les variations de la tension de sortie
lorsque la tension d'entr e varie. Une variation de Vin de 7 25 V, par exemple, se traduira
par une variation de Vout de 3 100 mV.
Ripple rejection ratio: rapport des variations relatives de Vout Vin. Pour un 7805, ce
Advertisement
rapport va couramment de 62 78 dB, soit une variation de Vout 1000 10000 fois moindre
que celle de Vin.
Output regulation (ou Minimum Load Current): traduit l'influence des variations du courant
de sortie sur la valeur de la tension r gul e. Si le courant de charge varie de 5 mA 1,5 A , la
tension de sortie ne varie, en g n ral, que de 15 100 mV.
Ces chiffres montrent bien la grande stabilit de la tension en sortie d'un r gulateur, en d pit
des diverses variations qui peuvent affecter la tension en entr e ou le courant en sortie.
Les principaux mod les de r gulateur disponibles
On trouve sur le march quantit de mod les de r gulateurs, dont certains sont tr s "pointus"
ou destin s des applications sp cifiques. Dans la pratique, l'amateur se tournera en priorit
vers des r gulateurs "tous usages", la fois performants, fiables et peu chers.
S ries 78XX et 78LXX
Ces r gulateurs fixes positifs sont sans doute les plus utilis s. Ils disposent tous d'une
limitation interne du courant et d'une protection thermique. Seule contrainte: la tension
d'entr e minimale Vin min doit tre gale ou sup rieure (Vout + 2 V). Ces mod les b n ficient
d'une tol rance 5 % (suffixe C). Leur prix se situe aux environs de 0,55 euro pi ce.
Vin max 30 V (40 V pour 7824)
Vout XX = 05, 06, 08, 09, 10, 12, 15, 18, 24 V
Iout max 1 A (2 A en pointe); 100 mA pour 78LXX
Par mesure de pr caution, on quipera les r gulateurs fixes d'un radiateur visser sur le
bo tier, dans le trou pr vu cet effet, d s lors que Vin sera nettement sup rieur Vout et/ou que
le courant de sortie sera susceptible de d passer la moiti de sa valeur maximale. On pourra
choisir, sans s'embarrasser de calculs, un mod le de radiateur de r sistance thermique Rth
gale 37 C/W (prix indicatif: 0,25 euro). En cas de doute sur la puissance maximale
dissip e, choisir la taille au-dessus (Rth 15 C/W).
S ries 79XX et 79LXX
M mes caract ristiques que ci-dessus (XX = 05, 12, 15, 24 V), mais il s'agit de r gulateurs
fixes n gatifs, pour alimentations sym triques. Prix indicatif: 0,70 euro pi ce.
R gulateurs variables
Ils ne sont pas beaucoup plus difficiles mettre en oeuvre que les r gulateurs fixes et rien
d'ailleurs n'emp che de les utiliser comme r gulateurs fixes. En revanche, ils sont un peu plus
chers...
L'un des plus c l bres r gulateurs variables est sans doute le LM317, dont il existe plusieurs
variantes, identifiables par leur suffixe (K, H, T, etc...). Le moins cher de la famille (environ
0,70 euro l'unit ), le LM317T, est conditionn en bo tier TO-220. Il ne n cessite que deux
composants p riph riques: une r sistance et un potentiom tre. C'est gr ce ce dernier, on s'en
doute bien, que l'on fera varier la tension de sortie. Voyons l'essentiel de sa data sheet:
LM317T 3-Terminal Adjustable Regulator
Parameter
Conditions
Min Typ Max Units
Input-Output Voltage Differential
(Vin - Vout)max
40 V
Reference Voltage
Line Regulation
Load Regulation
3 V < (Vin - Vout) < 40 V 1,20 1,25 1,30 V
3 V < (Vin - Vout) < 40 V
0,01 0,07 %/V
10 mA < Iout < Imax
0,03 1,5 %
Temperature Stability
Tmin < TJ < Tmax
1 %
Advertisement
Minimum Load Current
(Vin - Vout) = 40 V
3,5
10 mA
Current Limit
(Vin - Vout) < 15 V
1,5
2,2 3,4 A
Ripple Rejection Ratio
Vout = 10 V, f = 120 Hz
Operating Temperature Range
Thermal Resistance, Junction-to-Ambient No heat sink
0
65
50
dB
125 C
C/W
Input-Output Voltage Differential: diff rence entre la valeur de la tension Vin d'entr e et de
la tension en sortie Vout.
Reference Voltage: c'est la tension la plus basse qu'on peut obtenir en sortie (donc sup rieure
0 V en l'occurence).
Line Regulation et Load Regulation: ces deux param tres expriment la variation subie par
la tension de sorte Vout en fonction de la variation de la tension d'entr e Vin ou du courant Iout.
Les valeurs, on le voit, sont minimes.
Minimum Load Current: valeur minimale du courant dans la charge pour maintenir la
r gulation.
Current Limit: c'est le courant "garanti" en sortie, sous r serve de remplir la condition
nonc e.
Thermal Resistance, Junction-to-Ambient: r sistance thermique; le r gulateur dissipe par
lui-m me, sans radiateur, 50 C/W. Attention, une "bonne" valeur est ici une valeur faible.
Ainsi, 35 C/W est meilleur que 50 C/W.
Mise en oeuvre du LM317T
Le sch ma d'application, on le voit, se r v le d'une simplicit biblique:
Sch ma d'application et brochage du LM317T. On calcule Vout l'aide de la formule ci-
dessus, la valeur de R1 tant celle recommand e par le fabricant. Les condensateurs C1 et C2
sont facultatifs. C1 n'est n cessaire que dans le cas o le r gulateur serait implant une
distance de plus de 15 cm du condensateur de filtrage. C2 (optionnel mais conseill ) am liore
sensiblement l'imp dance de sortie et le ripple rejection ratio (rapport des variations relatives
de Vout Vin).
En choisissant pour R2 un potentiom tre lin aire de 5 k, on obtient en sortie une tension
variable comprise entre 1,25 V et plus de 24 V. Rappel: R2 peut aussi tre une r sistance fixe;
on r alise alors une alimentation fixe de pr cision.
Radiateur ou pas?
Faut-il ou non munir le LM317T (ou autre mod le) d'un radiateur, aussi appel dissipateur?
Voil une question r currente qui rend perplexe le n ophyte et cause souvent des angoisses
bien inutiles...
D'abord, il convient de rappeler qu'un r gulateur, comme tout composant, est susceptible de
s' chauffer, sous l'influence de l'effet Joule, et que cela n'est pas bon. Pour pr venir tout
emballement thermique qui pourrait d grader les performances du composant concern ,
l'endommager, voire m me le d truire, il est n cessaire de veiller ce qu'il ne d passe pas les
limites de r sistance thermique fix es par le fabricant. Un moyen tr s classique (et efficace)
de combattre l' chauffement excessif d'un composant consiste l' quiper d'un radiateur, en
g n ral boulonn sur son bo tier.
Voyons ce que dit la data sheet du LM317T (attention, il s'agit bien du mod le r f renc
Advertisement
LM317, suffixe T, donc en bo tier TO-220):
Operating Temperature Range
0 C < TJ < +125 C
Temperature Stability
Tmin < TJ < Tmax 1 %
Thermal Resistance, Junction-to-Ambient No heat sink
50 C/W
Premier constat: le LM317T fonctionnera normalement tant que sa temp rature de jonction,
donc interne, sera comprise entre 0 et 125 C. Dans ces limites, la stabilit est tr s bonne, de
l'ordre de 1 % typique.
Deuxi me constat: la r sistance thermique du LM317T, sans dissipateur (no heat sink) atteint
50 C/W, soit une l vation de temp rature, consid rable, de 50 C par watt dissip .
Fort heureusement, ce r gulateur est dot d'un dispositif interne qui l'inhibe en cas de
surchauffe. Mieux vaut toutefois ne pas en arriver l ...
Voyons maintenant, dans la notice d'application, les recommandations du fabricant propos
du dissipateur (heat sink). Deux param tres doivent tre calcul s pour d terminer si un
dissipateur est n cessaire ou pas: la puissance maximale dissip e PD par le r gulateur et
l' l vation maximale de temp rature TR.
La formule suivante (simplifi e) permet de calculer la puissance maximale dissip e PD:
PD = (Vin - Vout) IL
o IL est le courant maximal dans la charge. Supposons que la valeur maximale de (Vin - Vout)
sera de 20 V et que le courant IL ne d passera pas 1 A, on obtient, dans ce cas, une puissance
dissip e maximale de l'ordre de 20 W.
Calculons pr sent l' l vation de temp rature maximale acceptable l'aide de la formule:
TR(MAX) = TJ(MAX) - TA(MAX)
On sait que TJ(MAX) est gale 125 C, reste fixer une temp rature ambiante maxi, mettons
25 C. D'o une l vation maxi permissible de 100 C.
Pour finir, on applique la formule TR(MAX)/PD et on obtient, dans cet exemple: 5 C/W, valeur
comparer celle de la Thermal Resistance Rth, Junction-to-Ambient, soit 50 C/W.
La valeur obtenue est tr s inf rieure la typical rated value du constructeur, donc dans ce cas,
assez d favorable, un radiateur est n cessaire et il devra dissiper, pratiquement, moins de
5 C/W. En refaisant les calculs avec des valeurs plus "courantes", on trouvera sans doute une
Rth de l'ordre de 15 C/W. Le radiateur appropri , pour information, co te environ 1,50 euro.
Conclusion: la prudence commande de porter une grande attention la puissance maximale
dissip e et ne pas h siter, en cas de doute, se montrer "g n reux" lorsqu'il faut choisir un
radiateur, surtout que cet accessoire, certes un peu encombrant, n'est pas tr s on reux...
Ceci dit, le simple bon sens dictera certains choix: le LM317T sera parfait pour une "petite"
alimentation (mettons Vout inf rieur 18 V et un courant permanent de l'ordre de 0,5 A, avec
des pointes possibles jusqu' 1 A); si on a besoin de "plus gros", il sera pr f rable de s'orienter
vers une autre version (suffixe K, par exemple) ou un autre r gulateur...
Diff rents mod les de dissipateurs boulonner pour bo tier TO-220. Les dimensions sont
fonction de la valeur de la r sistance thermique. Il est conseill (pour les puristes!) d'enduire
la face en contact avec la patte du r gulateur avec un peu de graisse d' vacuation thermique.
Concevoir une alimentation
Une alimentation (power supply, en anglais) est un appareil capable de fournir une tension
continue fixe ou variable partir d'une tension alternative (en g n ral, le 230 V du secteur).
La plupart des montages lectroniques n cessitent, on l'a vu, une alimentation continue basse
tension, d'o l'importance de ce "bloc fonctionnel".
Les qualit s des r gulateurs de tension int gr s, savoir excellentes performances, tr s
grande fiabilit , mise en oeuvre extr mement simple, disponibilit et co t d risoire, font que
ces composants sont d sormais au coeur de pratiquement toutes les alimentations. Les autres
montages, ceux par exemple base de condensateur et r sistance, de diodes zener ou encore
de transistors, appartiennent pour ainsi dire au pass ...
Une alimentation "classique" moderne comporte toujours:
" un transformateur abaisseur, qui fournit sur son secondaire une tension alternative
Advertisement
tr s inf rieure celle du secteur,
" un pont redresseur (diodes en pont de Gra tz), qui fournit en sortie une tension non
plus alternative mais redress e,
" une ou des capacit s de filtrage, qui r duisent l'ondulation de la tension issue du
pont redresseur,
" un r gulateur de tension, fixe ou variable, dont le r le est de stabiliser le potentiel
une certaine valeur.
Peuvent s'y ajouter un ou des condensateurs facultatifs pour am liorer les performances du
r gulateur, divers dispositifs de protection (fusible, dissipateur, diode anti-retour...), de
signalisation ou d'affichage (DEL-t moin, affichage analogique ou num rique de la tension,
du courant...) et, dans la plupart des cas, un interrupteur.
Les principaux param tres prendre en compte sont:
"
"
"
la tension continue fournir en sortie,
le courant maximal d bit ,
le co t et la complexit du montage, en regard des performances attendues (le fameux
rapport qualit /prix...).
En effet, le crit re conomique ne doit pas tre n glig (dans l'industrie, il ne l'est jamais!).
Les r gulateurs pr sent s ici se distinguent par un excellent rapport qualit /prix et une
remarquable simplicit .
Sch ma complet d'une alimentation variable "de qualit " autour d'un LM317T. Le pont
redresseur peut tre un pont moul ou quatre diodes 1N4007 en pont de Gra tz. La tension de
service du condensateur de filtrage C doit tre sup rieure la tension cr te issue du
secondaire du transfo. Le courant dans la charge pourra se situer aux alentours de 1 A, sans
exc der la valeur (confortable!) de 1,5 A. Il est en outre recommand d' quiper le r gulateur
d'un radiateur appropri (Rth de 14 C/W, par exemple) et de pr voir un coffret "a r ".
Rappel: une alimentation tant raccord e au secteur, il convient de ne jamais n gliger la
s curit de l'utilisateur: une isolation lectrique parfaite est absolument n cessaire. Souvenez-
vous que la tension secteur peut tre mortelle!
Alimentation d coupage
Vous avez peut- tre d j entendu parler d'alimentation " d coupage". De quoi s'agit-il?
Une alimentation d coupage pr sente deux avantages notables par rapport une
alimentation "classique": son rendement est meilleur et la dissipation thermique r duite. Sa
conception, en revanche, est un peu plus complexe, et fait appel des r gulateurs nettement
plus on reux, tel le LM2575 (environ 4 euros) ou le TL497 (m me prix), pour ne citer que les
mod les les moins chers...
Le principe, en bref, est le suivant: la tension du secteur est redress e et filtr e, puis hach e
fr quence lev e par un commutateur lectronique (un transistor), pilot par un circuit de
commande. La tension hach e est alors appliqu e au primaire d'un transformateur; on
retrouve ensuite le sch ma classique, redressement et filtrage.
Principe de l'alimentation d coupage: la fr quence de hachage du r gulateur d termine la
valeur de la tension de sortie. En agissant sur cette fr quence, on peut ainsi "d couper" la
tension d'entr e la valeur d sir e.
Les r gulateurs d coupage, fixes ou ajustables, int grent tous les l ments n cessaires aux
fonctions de commande et de hachage et il suffit de leur rajouter quelques composants
p riph riques (condensateurs, r sistances, inductances...) pour les rendre op rationnels.
Toutefois, on d conseillera un d butant de r aliser ce type d'alim, alors qu'il existe, on l'a
vu, des solutions tr s valables, beaucoup plus simples et meilleur march .