Alimentations pour débutants, Partie 3

Auparavant, dans la partie 2 de notre série de tutoriels vidéo pour les alimentations, nous avons expliqué comment tester et utiliser des Alimentations Non Régulées et avons montré comment une alimentation non régulée a du mal à contrôler sa sortie. Dans cette partie 3 de notre série de tutoriels vidéo, nous allons examiner les Alimentations Linéaires et montrer comment les régulateurs en série et en dérivation sont bien meilleurs pour contrôler leur sortie.

Regardez notre tutoriel vidéo Partie 3 pour en savoir plus !

Transcription du Tutoriel Vidéo

Temps : 0:00sBonjour, je suis Chris Richardson, ingénieur en électronique spécialisé dans les alimentations. Voici la troisième partie d’une série de web séminaires destinée aux amateurs d’alimentations qui ne sont pas nécessairement formés en électronique de puissance.

Jusqu’à présent, dans les parties un et deux, nous avons rassemblé l’équipement de base pour tester les alimentations sans dépenser une fortune, puis nous avons trouvé et testé quelques anciennes alimentations non régulées. Il est maintenant temps d’évaluer et de tester le type d’alimentation régulée le plus ancien et le plus basique, connu sous le nom de Régulateur Linéaire.

Régulateurs Zener et en Dérivation

Temps : 0:27sLe diagramme à gauche montre un régulateur linéaire discret composé d’une diode Zener et d’une résistance, R_S. Tout ce que fait la résistance, c’est limiter le courant. Si elle n’était pas là, l’alimentation d’entrée ferait fondre la Zener avec trop de courant, ou l’alimentation d’entrée elle-même atteindrait sa propre limite de courant.

Un tel circuit est très, très bon marché, mais la tolérance à la tension de sortie dépend de la tension Zener, V_Z, et cela dépend du courant de charge, de la température et de la distribution naturelle de V_Z elle-même d’une pièce à l’autre. À mon avis, il est discutable de savoir si ce type d’alimentation est régulé, mais c’est une bonne introduction aux véritables circuits régulés qui viendront plus tard. Puisque l’élément actif est en parallèle avec la charge, nous disons qu’il “déroge à la charge”, d’où le nom de Régulateur en Dérivation.

Circuit Régulateur en Dérivation TL431

Temps : 1:08sÀ droite se trouve un circuit similaire qui utilise un véritable circuit intégré pour une meilleure précision. Le TL431 et ses variantes sont omniprésents dans le monde des alimentations, mais ils ne sont pas souvent utilisés comme régulateurs en dérivation comme nous le voyons ici. Le TL431 est si similaire dans sa fonction à une véritable diode Zener, que le symbole est souvent dessiné comme une Zener, comme je l’ai montré.

La résistance R_S limite encore le courant et doit toujours respecter les limites minimales et maximales, mais maintenant les résistances R_TOP et R_BOTTOM divisent une portion de V_OUT et la renvoient à la broche de référence. À l’intérieur du TL431 se trouvent des transistors actifs, et la broche Ref permet à V_OUT de varier de la tension de référence jusqu’à V_IN moins environ 1 volt. Ce volt est la soi-disant tension de coupure, et nous en discuterons en détail dans les prochaines diapositives des segments vidéo.

Temps : 1:53sVoici le très basique solution de régulateur en dérivation basé sur le TL431. Ici sur ce morceau de carte prototype j’ai le TL431 et la résistance R_S limitant le courant, et au dos se trouve un potentiomètre bleu à dix tours de précision de 50 kΩ.

Donc, c’est à la fois R_TOP et R_BOTTOM, ou R_A et R_B, donc si je tourne ce bouton, j’ajusterais la tension de sortie. Je l’ai ajusté à 5 volts, ce qui serait typique pour quelque chose comme un Arduino.

Temps : 2:33sVoici l’alimentation non régulée d’un téléphone que mon chat a décidé de détruire, donc si je l’allume, nous pouvons voir ici que nous avons juste en dessous de 10 volts d’entrée et 5 volts ici à la sortie.

Lectures de Tension avec Multimètre

Le prochain test que je vais effectuer consiste à appliquer une charge et montrer que ce régulateur maintient toujours la tension de sortie sous charge.

Régulateur Linéaire en Dérivation Sous Charge

Temps : 2:55sVoici le même circuit mais maintenant chargé par 75Ω, ce sont deux résistances de puissance de 150Ω placées en parallèle. Vous pouvez voir que la tension d’entrée a un peu chuté mais la tension de sortie est toujours maintenue.

Encore une fois, le régulateur en dérivation basé sur le TL431 est connecté à sa charge de 66mA ou 75Ω, et ce que je veux montrer ici sur l’écran est le rippling en jaune, c’est la tension d’entrée, et combien elle est belle et lisse pour le même volt par division que la tension de sortie. C’est vraiment ce que fait le régulateur en dérivation pour nous.

Tension du Régulateur en Dérivation TL431

Un autre exemple serait si vous utilisez une alimentation Arduino, cela pourrait nettoyer une tension qui est à la fois trop élevée et qui présente trop de ripples et la rendre lisse et donner les 5 volts que l’Arduino souhaiterait.

Régulateurs Linéaires en Série

Temps : 4:33sCes alimentations linéaires plus sophistiquées sont appelées “régulateurs en série”. Comme le nom l’indique, un transistor fonctionnant dans sa région active linéaire est placé en série avec la charge. La résistance limitant le courant R_S n’est pas nécessaire ici, ce qui permet d’économiser de l’énergie.

Temps : 4:48sLe circuit à gauche est similaire au régulateur en dérivation Zener en ce sens qu’il produit une seule et unique valeur de tension de sortie. Cependant, à l’intérieur du 7809, il existe des régulateurs en série avec des tensions de sortie fixes, qui possèdent une paire de résistances de diviseur de tension comme R₁ et R₂ dans le circuit de droite.

Dans les deux types, le circuit de rétroaction ajuste la tension aux bornes des terminaux actifs du transistor. Ce transistor est souvent appelé l’élément de passage, car il fait passer le courant de l’entrée à la sortie. La tension active est continuellement ajustée pour maintenir la tension de sortie désirée, et ce type de circuit est également appelé un diviseur de tension.

Une autre façon de considérer cela est d’imaginer un diviseur de résistance où la résistance supérieure, R_TOP est activement ajustée et la résistance inférieure, R_BOTTOM est la charge.

Le Régulateur de Tension Linéaire LM317

Temps : 5:30sVoici le régulateur de tension linéaire LM317. C’est le même circuit imprimé que le dispositif lui-même. C’est une résistance de charge minimale dont ce dispositif a besoin est entre deux et trois milliamps pour fonctionner correctement, mais cela est beaucoup moins que les 60mA que nous tirions avec le régulateur en dérivation, et encore une fois, voici le potentiomètre à dix tours pour ajuster la tension de sortie, que j’ai ajusté pour donner 5 volts à la sortie.

Il est enfin temps de faire un véritable usage de cette alimentation ATX que nous avons transformée en alimentation de laboratoire. Je vais donc utiliser l’entrée de 12 volts ici, et il y a un ventilateur très bruyant, vous pouvez donc dire que je l’utilise réellement, et ici, nous avons 12 volts à l’entrée et 5 volts à la sortie.

Temps : 6:23sEncore une fois, le régulateur linéaire LM317 sera connecté aux quatre ohms des résistances de puissance ici, et si nous regardons l’écran de l’oscilloscope, encore une fois en jaune, c’est la tension d’entrée, cela devient maintenant la sortie d’un régulateur à découpage.

Remarquez que le temps de division est beaucoup plus serré car il ne s’agit pas d’un rippling à 100Hz, mais probablement d’un rippling à 100kHz et une partie du bruit atteint la sortie, mais le bleu, qui est la sortie, est beaucoup plus lisse.

Tension du Régulateur Linéaire LM317

Temps : 6:51sUn régulateur en série est généralement capable de beaucoup plus de courant qu’un régulateur en dérivation, et un LM317 est capable de plus d’un ampère. J’ai changé les choses ici, et maintenant, le multimètre orange mesure ma tension de sortie tandis que le multimètre bleu mesure le courant de sortie.

Ici, j’ai ces deux résistances de puissance de 8Ω en parallèle pour donner une charge d’environ 4Ω. Donc, quand je les connecte, le circuit commence à tirer plus d’un ampère, et maintenant le contrôle ici est correct, mais gardez à l’esprit qu’il n’y a pas de condensateurs de sortie ici et que nous ne faisons pas de mesure Kelvin (sensing à 4 pôles) de la charge.

Temps : 7:28sJe vais devoir faire cette expérience rapidement car mon régulateur linéaire surchauffe rapidement, donc le voilà avec la charge, et nous pouvons voir plus clairement combien de rippling l’alimentation à découpage a et cela est dû à la surchauffe du circuit.

Régulateur Linéaire à Faible Tension de Décroissance

Temps : 7:40sLes régulateurs de la série 780x et LM317 sont souvent appelés “Régulateurs NPN” car leurs éléments de passage sont des transistors bipolaires NPN. Ce sont d’excellents composants et certains de leurs designs ont plus de 40 ans et fonctionnent encore très bien.

Cependant, leur plus grand inconvénient est leur grande tension de chute. C’est le minimum de différence requis entre la tension d’entrée et la tension de sortie pour maintenir le circuit régulant correctement, et cela est d’environ 2,5 volts pour les régulateurs NPN. Un LDO, qui signifie “régulateur à faible chute”, utilise des transistors PNP ou plus couramment des MOSFET pour permettre à la tension de sortie maximale de se rapprocher très près de la tension d’entrée minimale. Certaines pièces atteignent près de 100mV ou moins.

C’est parfait pour les circuits modernes où vous pourriez vouloir réduire la tension de 1,8 volts à 1,5 volts. Un exemple est le circuit montré à gauche avec le diagramme de blocs simplifié de l’intérieur de LTC3025 montré à droite. En théorie, ce circuit peut réguler une tension de chute qui est juste au-dessus du courant de charge multiplié par la résistance ON du MOSFET, M1 (V = I_LOAD*R_ON).

Temps : 8:43sJe vous présente maintenant un véritable régulateur de tension à faible chute construit avec le LT1575, qui n’est pas très courant, car il a le circuit de contrôle ici et dispose en fait d’un transistor de puissance discret et d’un MOSFET. Vous pouvez voir ce grand dissipateur de chaleur plus clairement lorsque je fais l’expérience de chaleur, et nous allons le comparer au LM317 qui n’avait pas de dissipateur de chaleur.

Pour l’instant, il n’y a pas de charge et j’ai toutes ces quatre résistances de puissance de 8Ω en parallèle pour me donner une charge de 2Ω. La tension d’entrée est nominalement de 3,3 volts provenant de l’alimentation de banc ATX, et j’utilise également les 12 volts pour alimenter réellement la section de contrôle et c’est ainsi que cette puce peut atteindre une telle faible tension de chute, car c’est la tension plus élevée qui alimente réellement et actionne la porte de ce nMOSFET.

Donc, que se passe-t-il lorsque je connecte effectivement la charge, (2Ω), nous pouvons voir que la tension d’entrée s’effondre. Maintenant, cela n’est pas parce que l’alimentation ATX n’est pas capable de donner tout le courant, le problème est la chute de tension dans tous ces longs fils fins.

Ce que je veux que vous remarquiez, c’est que la tension de sortie ne chute qu’à 2,1 volts. Elle est censée être de 2,8 volts comme sans charge, mais avec une charge, nous pouvons voir que la chute est d’environ 100mV.

Temps : 10:09sJ’ai configuré à nouveau mon régulateur à faible chute pour montrer que le courant d’entrée et le courant de sortie sont presque directement liés dans un régulateur linéaire. Le multimètre jaune mesure le courant d’entrée et le multimètre bleu mesure le courant de sortie, et ce dispositif est un LM317 utilisé comme source de courant constant.

Vous pouvez voir qu’il n’y a presque aucun courant tiré à la sortie, l’entrée tire environ 150mA, et cela est dû à cette résistance de charge minimale ici. Cependant, à mesure que je commence à augmenter la charge à la sortie, remarquez que le courant d’entrée est égal au courant de sortie plus les 150mA, à peu près. En le tournant jusqu’à son maximum, vous pouvez voir qu’ils sont en phase.

Chaleur – Quelle Quantité est Acceptable

Temps : 10:50sDans la partie deux, nous avons vu que les gros transformateurs linéaires des alimentations non régulées ne chauffaient à peine même à leur charge maximale. Avec les régulateurs linéaires, la chaleur est une préoccupation beaucoup plus immédiate. La dissipation de puissance est facile à prédire puisqu’elle est égale à V_IN moins V_OUT multiplié par le courant de charge, (V_IN-V_OUT)*I_L.

Les ingénieurs prennent en compte le pire des cas, la tension d’entrée maximale, V_IN(max) et le courant de charge maximal, I_L(max). En règle générale, les emballages semi-conducteurs peuvent supporter environ 1 watt avant de devenir trop chauds. Tout excès de 1 watt nécessite un dissipateur de chaleur ou un flux d’air forcé (ventilateur).

Mais à quelle température est-ce trop chaud ? Cela dépend de nombreux facteurs tels que la température ambiante, le flux d’air, la présence de composants sensibles à proximité, comme les condensateurs électrolytiques en aluminium, mais également quelque chose de plus basique, la durée de vie de l’alimentation.

Test de Chaleur du Régulateur à Faible Chute

Temps : 11:38sJe réalise un test de chaleur et de dissipation de puissance sur mon régulateur LDO discret, donc je suis de retour avec ma charge de 2Ω et j’utilise maintenant un plein 5 volts de mon alimentation ATX à l’entrée. J’ai 2,8 volts à la sortie et le courant de charge en sortie est de 1,32 ampères. Le thermocouple est placé à l’intérieur du clip de ce grand dissipateur thermique et ne dépasse que 35^oC.

Je vais l’enlever et le placer sur le tab qui est la partie la plus chaude du MOSFET pour voir si je peux observer la température à cet endroit. Maintenant, ça chauffe beaucoup plus rapidement. Le tab atteint probablement environ 40^oC, et pour moi, cela va tant que cela ne dépasse pas 50^oC, alors je pense que c’est parfaitement sûr.

Temps : 12:39sCela met fin à la partie trois des alimentations pour les non-ingénieurs en électrotechnique. Restez à l’écoute pour la partie quatre où nous examinerons les alimentations à découpage, un sujet sans aucun doute plus excitant.

Au nom de l’équipe d’Electronics-Tutorials.ws, merci d’avoir regardé ce tutoriel vidéo sur les Alimentations pour Débutants, et j’espère vous voir pour la partie quatre.

Fin de la transcription du tutoriel vidéo.

Vous pouvez trouver plus d’informations sur les alimentations pour débutants et un excellent tutoriel sur les alimentations linéaires en suivant ce lien : Alimentation Linéaire Variable.

Dans la partie 4 de notre tutoriel vidéo sur les alimentations pour débutants, nous examinerons l’utilisation des Alimentations à Découpage et verrons comment les convertisseurs Buck et Boost peuvent augmenter (booster) ou diminuer (réduire) la tension de sortie.