Alimentation électrique à tension variable

Poursuivant notre tutoriel sur la conversion d’une alimentation ATX en alimentation de banc, un très bon ajout est le régulateur de tension positif LM317T que nous pouvons utiliser pour créer une alimentation à tension variable.

Le LM317T est un régulateur de tension positif à 3 bornes réglable capable de fournir différentes tensions de sortie en courant continu, au-delà de l’alimentation fixe de +5 ou +12 volts, ou comme tension de sortie variable allant de quelques volts jusqu’à une certaine valeur maximale, le tout avec des courants d’environ 1.5 ampères.

Avec l’aide d’un petit circuit supplémentaire ajouté à la sortie de l’alimentation, nous pouvons avoir une alimentation de banc capable d’une gamme de tensions fixes ou variables, de nature positive ou négative. En fait, cela est plus simple que vous ne le pensez, car le transformateur, la redressement et le lissage ont déjà été effectués par l’alimentation, il suffit de connecter notre circuit supplémentaire au fil jaune de +12 volts. Mais tout d’abord, considérons une sortie de tension fixe.

Il existe une grande variété de régulateurs de tension à 3 bornes disponibles dans un boîtier standard TO-220, avec le régulateur de tension fixe le plus populaire étant la série 78xx, qui va du très courant 7805, régulateur de tension fixe +5V, au 7824, régulateur de tension fixe +24V. Il existe également une série 79xx de régulateurs de tension négatifs fixes qui produisent une tension négative complémentaire de -5 à -24 volts, mais dans ce tutoriel, nous n’utiliserons que les types positifs 78xx.

Le régulateur fixe à 3 bornes est utile dans les applications où une sortie réglable n’est pas nécessaire, rendant l’alimentation simple mais très flexible, car la tension qu’elle délivre dépend uniquement du régulateur choisi. On les appelle des régulateurs de tension à 3 bornes car ils ont seulement trois bornes à connecter, à savoir l’Entrée, le Commun et la Sortie.

La tension d’entrée au régulateur sera le fil jaune de +12v provenant de l’alimentation (ou d’un transformateur séparé), et est connectée entre les bornes d’entrée et commune. La tension stabilisée de +9 volts est prélevée sur la sortie et le commun comme indiqué.

Donc, supposons que nous voulons une tension de sortie de +9 volts de notre alimentation de banc, alors tout ce que nous avons à faire est de connecter un régulateur de tension à +9V au fil jaune de +12V. Comme l’alimentation a déjà effectué le redressement et le lissage de la sortie de +12v, les seuls composants supplémentaires nécessaires sont un condensateur sur l’entrée et un autre sur la sortie.

Ces condensateurs supplémentaires aident à la stabilité du régulateur et peuvent être compris entre 100nF et 330nF. Le condensateur de sortie supplémentaire de 100uF aide à lisser le contenu de ripple inhérent, lui donnant une bonne réponse transitoire. Ce grand condensateur placé sur la sortie d’un circuit d’alimentation est communément appelé “Condensateur de Lissage”.

Ces régulateurs de série 78xx donnent un courant de sortie maximal d’environ 1,5 ampères à des tensions stabilisées fixes de 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 et 24V respectivement. Mais que faire si nous voulions une tension de sortie de +9V mais que nous n’avions qu’un régulateur 7805, +5V ? La sortie de +5V du 7805 est référencée au “sol, Gnd” ou à la borne “0v”.

Si nous augmentons cette tension de la borne 2 de 0V à 4V, alors la sortie augmentera également de 4 volts supplémentaires, à condition qu’il y ait une tension d’entrée suffisante. Ensuite, en plaçant une petite diode Zener de 4 volts (valeur préférée de 4,3V) entre la borne 2 du régulateur et le sol, nous pouvons faire produire une sortie de +9 volts à un régulateur 7805 5V comme indiqué.

Alors, comment cela fonctionne-t-il. La diode Zener de 4,3V nécessite un courant de polarisation inverse d’environ 5mA pour maintenir une sortie avec le régulateur prenant environ 0,5mA. Ce courant total de 5,5mA est fourni via la résistance “R1” à partir de la sortie de la borne 3.

La valeur de la résistance requise pour un régulateur 7805 sera R = 5V/5.5mA = 910 Ohm. La diode de rétroaction, D1, connectée entre les bornes d’entrée et de sortie, sert de protection et empêche le régulateur d’être rétro-polaire lorsque la tension d’alimentation d’entrée est coupée alors que l’alimentation de sortie reste active pendant une courte période à cause d’une charge inductive importante, comme un solénoïde ou un moteur.

Nous pouvons donc utiliser des régulateurs de tension à 3 bornes et une diode Zener appropriée pour produire une variété de tensions de sortie fixes à partir de notre précédente alimentation de banc, allant de +5V à +12V. Mais nous pouvons améliorer ce design en remplaçant le régulateur de tension fixe par un régulateur de tension variable tel que le LM317T.

Le LM317T est un régulateur de tension positif à 3 bornes entièrement réglable capable de fournir 1,5 ampères avec une tension de sortie variant d’environ 1,25 volts à un peu plus de 30 volts. En utilisant le rapport de deux résistances, l’une d’une valeur fixe et l’autre variable (ou les deux fixes), nous pouvons régler la tension de sortie au niveau souhaité avec une tension d’entrée correspondante étant comprise entre 3 à 40 volts.

Le régulateur de tension variable LM317T dispose également d’une limitation de courant intégrée et de capacités d’arrêt thermique, ce qui le rend parfait contre les courts-circuits et idéal pour toute alimentation de banc à basse tension.

La tension de sortie du LM317T est déterminée par le rapport des deux résistances de rétroaction R1 et R2 qui forment un réseau de diviseur de potentiel à travers la borne de sortie comme indiqué ci-dessous.

La tension à travers la résistance de rétroaction R1 est une tension de référence constante de 1.25V, V_ref, produite entre la borne “de sortie” et “de réglage”. Le courant sur la borne de réglage est un courant constant de 100uA. Comme la tension de référence à travers la résistance R1 est constante, un courant constant i passera à travers l’autre résistance R2, entraînant une tension de sortie de :

Alors, quel que soit le courant passant par la résistance R1, il passe également par la résistance R2 (ignorant le courant très faible de la borne de réglage), avec la somme des chutes de tension à travers R1 et R2 étant égale à la tension de sortie, Vout. Évidemment, la tension d’entrée, Vin, doit être d’au moins 2,5 volts plus grande que la tension de sortie requise pour alimenter le régulateur.

De plus, le LM317T présente une très bonne régulation de charge, à condition que le courant de charge minimum soit supérieur à 10mA. Ainsi, pour maintenir une tension de référence constante de 1.25V, la valeur minimale de la résistance de rétroaction R1 doit être 1.25V/10mA = 120 Ohm et cette valeur peut aller de 120 ohms à 1 000 ohms, les valeurs typiques de R1 étant d’environ 220Ω à 240Ω pour une bonne stabilité.

Si nous connaissons la valeur de la tension de sortie requise, Vout, et que la résistance de rétroaction R1 est par exemple de 240 ohms, alors nous pouvons calculer la valeur de la résistance R2 à partir de l’équation ci-dessus. Par exemple, notre tension de sortie initiale de 9V donnerait une valeur résistive pour R2 de :

R1.((Vout/1.25)-1) = 240.((9/1.25)-1) = 1,488 Ohms

ou 1,500 Ohms (1k5Ω) à la valeur préférée la plus proche.

Bien sûr, en pratique, les résistances R1 et R2 seraient normalement remplacées par un potentiomètre afin de produire une alimentation à tension variable, ou par plusieurs résistances pré-réglées commutées si plusieurs tensions de sortie fixes sont requises.

Cependant, pour réduire les calculs nécessaires dans le calcul de la valeur de la résistance R2 chaque fois que nous voulons une tension particulière, nous pouvons utiliser des tableaux de résistance standard comme indiqué ci-dessous, qui donnent les tensions de sortie des régulateurs pour différents rapports de résistances R1 et R2 utilisant les valeurs de résistance E24.

En changeant la résistance R2 pour un potentiomètre de 2k ohm, nous pouvons contrôler la plage de tension de sortie de notre alimentation de banc PSU d’environ 1.25 volts à une tension de sortie maximale de 10.75 (12-1.25) volts. Ensuite, notre circuit d’alimentation variable modifié final est montré ci-dessous.

Circuit d’Alimentation à Tension Variable

Nous pouvons améliorer notre circuit régulateur de tension de base en connectant un ampèremètre et un voltmètre aux bornes de sortie. Ces instruments fourniront une indication visuelle de la fois le courant et la tension de sortie du régulateur de tension variable. Un fusible à action rapide peut également être incorporé si désiré dans le design pour fournir une protection supplémentaire contre les courts-circuits comme montré.

Un des principaux inconvénients de l’utilisation du LM317T comme partie d’un circuit d’alimentation à tension variable pour réguler une tension est qu’autant que 2.5 volts sont perdus sous forme de chaleur à travers le régulateur. Donc, par exemple, si la tension de sortie requise est de +9 volts, la tension d’entrée devra être aussi élevée que 12 volts ou plus si la tension de sortie doit rester stable lors des conditions de charge maximum. Cette chute de tension à travers le régulateur est appelée “dropout”. De plus, en raison de cette tension de chute, une certaine forme de refroidissement est requise pour garder le régulateur au frais.

Heureusement, des régulateurs de tension variable à faible drop-out sont disponibles, tels que le régulateur de tension variable à faible drop-out “LM2941T” de National Semiconductor qui a une faible chute de seulement 0.9 volts sous charge maximum. Ce faible drop-out a un coût, car cet appareil ne peut fournir qu’un courant de 1.0 ampère avec une tension de sortie variable de 5 à 20 volts. Cependant, nous pouvons utiliser cet appareil pour donner une tension de sortie d’environ 11.1V, juste un peu plus basse que la tension d’entrée.

Donc, pour résumer, notre alimentation de banc que nous avons fabriquée à partir d’une ancienne unité d’alimentation PC dans un tutoriel précédent peut être convertie pour fournir une alimentation à tension variable en utilisant un LM317T pour réguler la tension. En connectant l’entrée de cet appareil à la sortie jaune +12V de l’alimentation, nous pouvons avoir à la fois des tensions fixes de +5V, +12V et une tension de sortie variable allant d’environ 2 à 10 volts avec un courant de sortie maximal de 1.5A.