Electronique : Les bases de l'alimentation électrique (partie 1)

30 décembre 2020 rdorigny 0 commentaires

Voilà un vaste sujet! Un encyclopédie ne suffirait pas à le couvrir tellement il est immense et parfois complexe. Mais comme il faut bien commencer un jour, je vais donc présenter les concepts de bases des différentes topologies des alimentations linéaires.

Je n'aborderais pas les alimentations à découpage et autres élévateurs/abaisseurs de tension. Nous verrons cela plus tard.



Introduction

Je distingue la stabilisation et la régulation, qui sont deux concepts différents. En effet, la stabilisation consiste à fournir une tension de sortie par rapport à une valeur définie sans suivi des éventuelles évolutions. Alors que la régulation réalise un suivi des évolutions de sortie par rapport à la tension de référence, et par un mécanisme qui lui est propre, tente de diminuer à tout moment la différence Vs-Vref.

Par exemple, un transistor Ballast avec une tension de consigne fournie par une diode zener est une alimentation stabilisée. Il n'y a pas de rétroaction afin de revenir sur la tension désirée s'il y a une dérive.

1) Première partie : abaissement de la tension secteur

L'objectif d'une alimentation électrique est de fournir une tension stabilisée (en général) à partir de la tension secteur 230V sinusoïdale. Alors comment fait-on?

On trouvera dans ces alimentations les fonctions suivantes:
  • Abaissement de tension : pour cela on utilise un transformateur;
  • Redressement : pour cela on utilise des diodes;
  • Lissage : pour cela on utilise des filtres à base de condensateur;
  • Régulation ou stabilisation de tension.

  • Première partie d'une alimentation

    La première partie d'une alimentation est généralement constituée d'un transformateur afin de diminuer la tension, d'un pont de diode (Graetz) pour réaliser un redressement double alternance et d'un condensateur de Lissage.

    Le transformateur a un rapport de transformation qui est tel que r=V2/N2=V1/N1. N1 est le nombre de spires de la bobine du primaire, N2 pour le secondaire.
    Donc V2=V1xN2/N1, et si on veut abaisser la tension, il est nécessaire que N2 soit plus petit que N1.

    Calcul de la valeur de C : Le condensateur se charge et se décharge au rythme de la double alternance (100hz).

    Or on sait pour un condensateur que I = Cdv/dt => C = Idt/dv

    Donc C = IΔT/ΔV

    Si on prend le cas d'une alimentation de téléphone qui doit fournir 0.5A pour 5V, la fréquence étant de 100hz (double alternance) et on accepte une erreur de 1V alors C=.5x0.01/1=5000uF soit un condensateur de 4700uF pour prendre une valeur normalisée.

    Il est à noter que l'on place généralement un petit condensateur de quelques nano farad en parallèle de C pour filtrer les éventuels parasites HF.

    2) Les schémas de base

    2.1) Stabilisation Zener

    La façon la plus simple de produire une tension consiste bien évidement à réaliser un diviseur de tension. Il est assez dépendant des variations de courant, on ne peut pas vraiment réaliser une stabilisation fiable avec cette méthode.

    La diode Zener est un composant qui présente une qualité spécifique pour la stabilisation de tension. Il suffit de regarder sa courbe caractéristique I=f(V). On observe une grande stabilité du courant qui la traverse sur des tensions négatives.



    On utilise donc cette caractéristique en utilisant ce composant tel que ci-dessous.



    Par exemple, on a Ve=10V et on choisit une diode zener avec un seuil de 5.1V.
    Donc 10-4.1=RI et Iz=50mA selon le datasheet. Donc R=100Ω.

    2.2) Le transistor Ballast

    Ce montage est en fait un montage collecteur commun, aussi appelé montage suiveur. Il a pour principale caractéristique de ne pas amplifier, mais de répliquer la tension à sa base en mode linéaire (à Vbe prêt).



    Ici, Vs=Vz-Vbe=Vz-0.6 Donc si Ve est suffisamment haut, si Q1 et D1 sont bien polarisés alors la tension suit la tension de consigne sur la base avec une perte de Vbe.

    Dans mon exemple, je souhaite réaliser une alim qui fournie Is de 100ma au maximum. j'ai pris un Ve=8V et Vz=5.6v. Le gain du transistor β=60. J'ai besoin de Iz=20mA pour polariser ma diode zener. Le condensateur C1 est optionnel, il permet de court-circuiter le bruit de l'alimentation Ve.


    Pour le calcul de R:
    Vr=8-5.4=R(Iz+Ib)
    2.6=R(20ma+0.1/60)
    R=130Ω (j'ai pris une résistance de 100Ω comme valeur normalisée)

    Pour les puissances:
    Pr=2.6*20ma=0.05w
    Pz=5.4*20ma=0.1w
    Ptransistor=(8-5.4-0.7)*0.1=0.43w

    Le transistor BSY86 de récupération que j'utilise supporte largement cette puissance, il peut fournir un courant allant jusqu'à un ampère ou 0.9W de puissance.

    Quelques mesures réalisées avec une charge électronique: Pour Ic (courant de charge):
  • 0ma Vs=4.7v Ce qui est logique à vide car il faut retirer la tension Vbe=0.7V à la tension zener
  • 10ma Vs=4.54v
  • 20ma Vs=4.47v
  • 40ma Vs=4.42
  • 50ma Vs=4.41v
  • 70ma Vs=4.40v
  • 100ma Vs=4.40v

  • La tension est stable sauf au début, en effet on tire du courant sur ib ce qui augmente ic et modifie le Vce sur la droite de charge. Avec la charge dont je dispose, il est possible de faire évoluer dynamiquement le courant. Je vais faire varier le courant de 10mA à 100mA toutes les millisecondes.



    Pour une fréquence de 500hz, le transistor en ballast répond correctement.

    2.3) Le régulateur de tension

    Le régulateur de tension est circuit qui est beaucoup performant que ce que nous vu précédemment. Son schéma de principe suit le schéma ci-dessous.



    Le régulateur de tension dispose d'une référence de tension interne, qui suit souvent le principe de Bandgap. Si vous souhaitez avoir plus d'information à ce sujet, l'ai réalisé un article à ce sujet.

    Intéressons nous au régulateur à la fameux régulateur LM78XX. C'est un composant de légende qui a révolutionné l'électronique. Il existe des configurations communes pour les circuits intégrés 78xx, notamment 7805 (5 V), 7806 (6 V), 7808 (8 V), 7809 (9 V), 7810 (10 V), 7812 (12 V), 7815 (15 V) , 7818 (18 V) et 7824 (24 V). Le 7805 est le plus courant, car son alimentation régulée de 5 volts fournit une source d'alimentation pratique pour la plupart des composants TTL .

    Les versions à faible puissance telles que les séries LM78Mxx (500 mA) et LM78Lxx (100 mA) de National Semiconductor sont moins courantes. Certains appareils fournissent des tensions légèrement différentes de la normale, comme le LM78L62 (6,2 volts) et le LM78L82 (8,2 volts) ainsi que le STMicroelectronics L78L33ACZ (3,3 volts).

    Il est à noter que les appareils 79xx ont un schéma de «référence» similaire à celui de «sortie de tension», mais leurs sorties sont en tension négative, par exemple 7905 est -5 V et 7912 est -12 V.



    C1 et C2 sont donnés par le constructeur du régulateur. D1: protège le régulateur contre une surtension en sortie, effet selfique. D2: protège le régulateur contre les inversions de polarité.

    Le régulateur de tension a un rendement très supérieur au circuit ballast.

    Pour le ballast R=Ps/Pe=VsIs/VeIe=(4.4*50ma)/(10*70ma)=0.31
    Le rendement du ballast est de 31% (perte en chaleur dans le transistor).
    Pour le LM7805 R=Ps/Pe=VsIs/VeIe=(5*50ma)/(10*60ma)=0.41
    Le rendement du LM7805 est de 41% (perte en chaleur).

    Donc pour les faibles puissances, le régulateur LM78XX sera à privilégier par rapport à un transistor. Pour les grosses puissances, le transistor reste la solution (BJT ou MOSFET) car le LM78XX chauffera trop.

    Il est aussi utile de remarquer, que la tension d'entrée ne doit pas trop élevée par rapport à la tension de référence, sinon le transistor ou régulateur va devoir transformer en chaleur le delta de puissance. Donc il faut éviter de dépasser 3V de plus en tension d'entrée continue.

    Conclusion

    Nous avons vu les schémas de bases des alimentations électriques stabilisées. Rien de bien sorcier. Mais le défaut est que nous ne disposons pas d'une limitation de courant. Si la charge est en court-circuit, il faut limiter le courant qui sera absorbé sinon il va y avoir de la casse...

    Dans un prochain article, nous évoquerons la limitation de courant et peut-être d'autres fonctionnalités des alimentations. Le sujet est vaste, il y a encore beaucoup à dire!












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