Régulateurs de tension

Très facile à mettre en oeuvre, très fiable et qui plus est, peu onéreux, un régulateur de tension intégré est un composant à semi-conducteur dont le rôle consiste à rendre quasi continue une tension qui présente une ondulation (issue d'un pont redresseur, par exemple) et à stabiliser sa valeur.

Cette régulation s'opère en amont et en aval: en amont car la tension d'entrée Vin peut fluctuer et en aval car la charge branchée aux bornes de Vout peut elle aussi varier (variation du courant débité).

Schéma très classique d'une alimentation avec régulateur (noté REG). On voit que le régulateur de tension est précédé par le transfo abaisseur, le pont redresseur et le condensateur de filtrage électrochimique. Les deux autres condensateurs sont facultatifs, mais souvent conseillés (voir ci-dessous). La DEL sert ici à visualiser la présence de la tension de sortie Vs.

Dans chacune de ces familles, on trouve des modèles "faible courant" et des modèles plus puissants, capables de débiter de 1 A à 2 A , voire davantage.

On trouve également des régulateurs fournissant des tensions positives ou négatives (pour l'alimentation symétrique d'un AOP, par exemple).

Compte tenu de ce qui a été dit ci-dessus (régulateur fixe ou variable, positif ou négatif), le choix d'un modèle particulier repose sur quelques critères déterminés par le cahier des charges de l'alimentation à réaliser.

La tension de sortie V_out: c'est le principal critère de choix, puisqu'il correspond à la tension désirée. Ainsi, pour une tension de + 5 V, on choisira un 7805 ou un 78LO5, selon le courant nécessaire. Si on désire une tension variable, de 3 à 12 V par exemple, on s'orientera vers un LM 317 ou un L 200.

Quant à la tension maximale en entrée V_in, elle va jusqu'à 25 V pour un 7805 et 38 V pour un 7824.

Le courant de sortie: un 78L05 peut débiter 100 mA , tandis qu'un 7805 est capable de fournir 1 A en permanence.

La tolérance: indiquée par une lettre ("C" le plus souvent), elle est en général 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 délivrée est souvent très proche de la valeur nominale (4,97 V pour un 7805, lorsque le courant débité n'est pas très élevé).

A noter cependant que la valeur nominale est vérifiée à 25°C et qu'une élévation de température dégrade, comme toujours, les performances du régulateur (- 1 mV/°C typique). C'est pourquoi un radiateur, vissé sur le boîtier, est recommandé chaque fois qu'il y a risque d'échauffement important.

Parmi les paramètres que l'on rencontre fréquemment 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'entrée varie. Une variation de Vin de 7 à 25 V, par exemple, se traduira par une variation de Vout de 3 à 100 mV.

Ripple rejection ratio: rapport des variations relatives de Vout à Vin. Pour un 7805, ce rapport va couramment de 62 à 78 dB, soit une variation de Vout 1000 à 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 régulée. Si le courant de charge varie de 5 mA à 1,5 A , la tension de sortie ne varie, en général, que de 15 à 100 mV.

Ces chiffres montrent bien la grande stabilité de la tension en sortie d'un régulateur, en dépit des diverses variations qui peuvent affecter la tension en entrée ou le courant en sortie.

On trouve sur le marché quantité de modèles de régulateurs, dont certains sont très "pointus" ou destinés à des applications spécifiques. Dans la pratique, l'amateur se tournera en priorité vers des régulateurs "tous usages", à la fois performants, fiables et peu chers.

Ces régulateurs fixes positifs sont sans doute les plus utilisés. Ils disposent tous d'une limitation interne du courant et d'une protection thermique. Seule contrainte: la tension d'entrée minimale V_{in min} doit être égale ou supérieure à (V_out + 2 V). Ces modèles bénéficient d'une tolérance à 5 % (suffixe C). Leur prix se situe aux environs de 0,55 euro pièce.

V_{in max}	30 V (40 V pour 7824)
V_out	XX = 05, 06, 08, 09, 10, 12, 15, 18, 24 V
I_{out max}	1 A (2 A en pointe); 100 mA pour 78LXX

Par mesure de précaution, on équipera les régulateurs fixes d'un radiateur à visser sur le boîtier, dans le trou prévu à cet effet, dès lors que V_in sera nettement supérieur à V_out et/ou que le courant de sortie sera susceptible de dépasser la moitié de sa valeur maximale. On pourra choisir, sans s'embarrasser de calculs, un modèle de radiateur de résistance thermique R_th égale à 37 °C/W (prix indicatif: 0,25 euro). En cas de doute sur la puissance maximale dissipée, choisir la taille au-dessus (R_th 15 °C/W).

Mêmes caractéristiques que ci-dessus (XX = 05, 12, 15, 24 V), mais il s'agit de régulateurs fixes négatifs, pour alimentations symétriques. Prix indicatif: 0,70 euro pièce.

Ils ne sont pas beaucoup plus difficiles à mettre en oeuvre que les régulateurs fixes et rien d'ailleurs n'empêche de les utiliser comme régulateurs fixes. En revanche, ils sont un peu plus chers...

L'un des plus célèbres régulateurs 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 à l'unité), le LM317T, est conditionné en boîtier TO-220. Il ne nécessite que deux composants périphériques: une résistance et un potentiomètre. C'est grâce à ce dernier, on s'en doute bien, que l'on fera varier la tension de sortie. Voyons l'essentiel de sa data sheet:

Parameter	Conditions	Min	Typ	Max	Units
Input-Output Voltage Differential	(V_in - V_out)max			40	V
Reference Voltage	3 V < (V_in - V_out) < 40 V	1,20	1,25	1,30	V
Line Regulation	3 V < (V_in - V_out) < 40 V		0,01	0,07	%/V
Load Regulation	10 mA < I_out < I_max		0,03	1,5	%
Temperature Stability	T_min < T_J < T_max			1	%
Minimum Load Current	(V_in - V_out) = 40 V		3,5	10	mA
Current Limit	(V_in - V_out) < 15 V	1,5	2,2	3,4	A
Ripple Rejection Ratio	V_out = 10 V, f = 120 Hz		65		dB
Operating Temperature Range		0		125	°C
Thermal Resistance, Junction-to-Ambient	No heat sink		50		°C/W

Input-Output Voltage Differential: différence entre la valeur de la tension V_in d'entrée et de la tension en sortie V_out.

Reference Voltage: c'est la tension la plus basse qu'on peut obtenir en sortie (donc supérieure à 0 V en l'occurence).

Line Regulation et Load Regulation: ces deux paramètres expriment la variation subie par la tension de sorte V_out en fonction de la variation de la tension d'entrée V_in ou du courant I_out. Les valeurs, on le voit, sont minimes.

Minimum Load Current: valeur minimale du courant dans la charge pour maintenir la régulation.

Current Limit: c'est le courant "garanti" en sortie, sous réserve de remplir la condition énoncée.

Thermal Resistance, Junction-to-Ambient: résistance thermique; le régulateur dissipe par lui-même, sans radiateur, jusqu'à 50 °C/W.

Schéma d'application et brochage du LM317T. On calcule Vout à l'aide de la formule ci-dessus, la valeur de R1 étant celle recommandée par le fabricant. Les condensateurs C1 et C2 sont facultatifs. C1 n'est nécessaire que dans le cas où le régulateur serait implanté à une distance de plus de 15 cm du condensateur de filtrage. C2 (optionnel mais conseillé) améliore sensiblement l'impédance de sortie et le ripple rejection ratio (rapport des variations relatives de Vout à Vin).

En choisissant pour R2 un potentiomètre linéaire de 5 k, on obtient en sortie une tension variable comprise entre 1,25 V et plus de 24 V. Rappel: R2 peut aussi être une résistance fixe; on réalise alors une alimentation fixe de précision.

Faut-il ou non munir le LM317T (ou autre modèle) d'un radiateur? Voilà une question récurrente qui rend perplexe le néophyte et cause souvent des angoisses bien inutiles...

D'abord, il convient de rappeler qu'un régulateur, comme tout composant, est susceptible de s'échauffer, sous l'influence de l'effet Joule, et que cela n'est pas bon. Pour prévenir tout emballement thermique qui pourrait dégrader les performances du composant concerné, l'endommager, voire même le détruire, il est nécessaire de veiller à ce qu'il ne dépasse pas les limites de résistance thermique fixées par le fabricant. Un moyen très classique (et efficace) de combattre l'échauffement excessif d'un composant consiste à l'équiper d'un radiateur, en général vissé sur son boîtier.

Voyons ce que dit la data sheet du LM317T (attention, il s'agit bien du modèle référencé LM317, suffixe T):

Operating Temperature Range		0 °C < T_J < +125 °C
Temperature Stability	T_min < T_J < T_max	1 %
Thermal Resistance, Junction-to-Ambient	No heat sink	50 ° C/W

Premier constat: le LM317T fonctionnera normalement tant que sa température de jonction, donc interne, sera comprise entre 0 et 125 °C.

Deuxième constat: dans ces limites, la stabilité est très bonne, de l'ordre de 1 % typique.

Qui plus est, ce régulateur est doté d'un dispositif interne qui l'inhibe en cas de surchauffe. Mieux vaut toutefois ne pas en arriver là...

Voyons maintenant, dans la notice d'application, les recommandations du fabricant à propos du dissipateur (heat sink). Deux paramètres doivent être calculés pour déterminer si un dissipateur est nécessaire ou pas: la puissance maximale dissipée P_D par le régulateur et l'élévation maximale de température T_R.

La formule suivante (simplifiée) permet de calculer la puissance maximale dissipée P_D:

où I_L est le courant maximal dans la charge. Sachant que la valeur maximale de (V_in - V_out) est de 40 V et que le courant I_L peut atteindre voire dépasser 2 A (cf. tableau), on obtient, dans le cas le plus défavorable, une puissance dissipée maximale (impressionnante!) de l'ordre de 80 W.

Calculons maintenant l'élévation de température maximale acceptable à l'aide de la formule:

On sait que T_J(MAX) est égale à 125 °C, reste à fixer une température ambiante maxi, mettons 25 °C. D'où une élévation maxi permissible de 100 °C.

Pour finir, on applique la formule T_R(MAX)/P_D et on obtient, dans cet exemple: 1,25 °C/W, valeur à comparer à celle de la Thermal Resistance R_th, Junction-to-Ambient, soit 50 °C/W.

La valeur obtenue est très inférieure à la typical rated value du constructeur, donc dans ce cas, répétons-le, très défavorable, un radiateur est nécessaire et il devra dissiper, pratiquement, moins de 2 °C/W. En refaisant les calculs avec des valeurs plus "réalistes", on trouvera sans doute une R_th de l'ordre de 15 °C/W. Le radiateur approprié, pour information, coûte environ 0,70 euro.

Conclusion: la prudence commande de porter une grande attention à la puissance maximale dissipée et ne pas hésiter, en cas de doute, à se montrer "généreux" lorsqu'il faut choisir un radiateur, surtout que cet accessoire, certes un peu encombrant, n'est pas très onéreux...

Une alimentation (power supply, en anglais) est un appareil capable de fournir une tension continue fixe ou variable à partir d'une tension alternative (en général, le 230 V du secteur). La plupart des montages électroniques nécessitent, on l'a vu, une alimentation continue basse tension, d'où l'importance de ce "bloc fonctionnel".

Peuvent s'y ajouter un ou des condensateurs facultatifs pour améliorer les performances du régulateur, divers dispositifs de protection (fusible, dissipateur, diode anti-retour...), de signalisation ou d'affichage (DEL-témoin, affichage analogique ou numérique de la tension, du courant...) et, dans la plupart des cas, un interrupteur.

En effet, le critère économique ne doit pas être négligé (dans l'industrie, il ne l'est jamais!). Les régulateurs présentés ici se distinguent par un excellent rapport qualité/prix et une remarquable simplicité.

Schéma complet d'une alimentation variable "de qualité" autour d'un LM317T. Le pont redresseur peut être un pont moulé ou quatre diodes 1N4007 en pont de Graëtz. La tension de service du condensateur de filtrage C doit être supérieure à la tension crête issue du secondaire du transfo. Le courant nominal dans la charge ne devra pas excéder la valeur (confortable!) de 1,5 A. Il est en outre fortement conseillé d'équiper le régulateur d'un radiateur approprié et de prévoir un coffret "aéré".

Rappel: une alimentation étant raccordée au secteur, il convient de ne jamais négliger la sécurité de l'utilisateur: une isolation électrique parfaite est absolument nécessaire. Souvenez-vous que la tension secteur peut être mortelle!