Les alimentations électriques : principes et fonctions (suite) - L'électronique pour le musicien partie 21

En prin­cipe, la régu­la­tion va s’op­po­ser aux varia­tions à la sortie du circuit d’ali­men­ta­tion, en les compen­sant.

Ces varia­tions peuvent avoir deux causes prin­ci­pales (hormis une défaillance d’un compo­sant dans le circuit d’ali­men­ta­tion lui-même, par exemple) :  un chan­ge­ment au niveau de la source (varia­tion de la tension secteur, par exemple) ou un chan­ge­ment au niveau de la charge (chan­ge­ment d’un ou de plusieurs éléments alimen­tés).

Comme nous l’avons vu la semaine dernière, après l’étage de redres­se­ment par diodes, une série de filtres RC et/ou LC parti­cipe au filtrage de l’ali­men­ta­tion. Grâce à eux, on passe d’une série de pulsa­tions posi­tives (courant redressé, qui possède une compo­sante alter­na­tive et une compo­sante conti­nue), à une tension conti­nue, en élimi­nant au maxi­mum les fluc­tua­tions (en filtrant la compo­sante alter­na­tive). Pour résu­mer le prin­cipe de ce circuit, on pour­rait dire que l’élé­ment C (conden­sa­teur) a pour fonc­tion de s’op­po­ser aux fluc­tua­tions de la tension, tandis que les éléments R et L (résis­tance, induc­tance) s’op­posent aux fluc­tua­tions d’in­ten­sité du courant. Il appa­raît donc comme évident que ces filtres RLC parti­cipent déjà à une certaine forme de régu­la­tion de l’ali­men­ta­tion.

Pour complé­ter cette approche, nous nous concen­tre­rons aujour­d’hui sur les compo­sants et les montages qui permet­tront de fixer une tension de réfé­rence, et de limi­ter l’in­ci­dence des varia­tions (de la tension d’en­trée ou de la charge) sur la sortie de notre circuit d’ali­men­ta­tion.

La topo­lo­gie des circuits de régu­la­tion est très diverse, à tel point que nous n’au­rons pas le loisir de tous les trai­ter au cours d’un seul article. Loin de là, même ! Par choix, nous nous concen­tre­rons donc sur trois exemples diffé­rents, dont on pour­rait dire qu’ils forment la base de circuits plus complexes. Ces trois approches se classent, à l’ori­gine, en deux caté­go­ries diffé­rentes, qui décrivent leur implé­men­ta­tion :

• Régu­la­tion shunt, c’est-à-dire montée en paral­lèle, entre le pôle posi­tif de l’ali­men­ta­tion et la masse
• Régu­la­tion en série, c’est-à-dire dont le compo­sant prin­ci­pal est monté en série avec le pôle posi­tif de l’ali­men­ta­tion.

Ces deux types de montage ne sont pas mutuel­le­ment exclu­sifs, au contraire, puisqu’on va les mixer. Mais pour ne pas trop multi­plier les approches, au cours de cet article, nous nous penche­rons seule­ment sur trois exemples fonda­men­taux : régu­la­tion par diode zener, régu­la­tion par tran­sis­tor en série, et par régu­la­teur ajus­table.

NB : pour tous les exemples de régu­la­tion présen­tés, il est évident que la tension d’en­trée non-régu­lée n’est pas d’une valeur très éloi­gnée de la tension de sortie. On ne prend pas un transfo qui sort 60V pour obte­nir une tension régu­lée de 5V… Je préfère, malgré tout, le préci­ser.

Et tu shunt, shunt, shunt…

Le premier mode de régu­la­tion que nous allons étudier consiste en la simple utili­sa­tion d’une diode zener, utili­sée en mode shunt. Avant d’ex­pliquer comment ça marche, voyons un petit résumé sur le fonc­tion­ne­ment des diodes, et plus parti­cu­liè­re­ment de la diode zener.

Comme nous l’avions expliqué, une diode est formée d’une jonc­tion PN semi-conduc­trice. Il s’agit donc d’un compo­sant pola­risé (pôle P, pôle N) : lorsqu’elle est pola­ri­sée direc­te­ment (tension posi­tive sur la borne P, tension néga­tive sur la borne N) elle laisse passer le courant ; au contraire lorsqu’elle est pola­risé en inverse (tension posi­tive sur la borne N, tension néga­tive sur la borne P), elle bloque le courant. En pola­ri­sa­tion inverse, une diode présente une tension de claquage : au-delà de cette tension, la diode n’ar­rive plus à bloquer le passage du courant, elle claque, ce qui l’en­dom­mage défi­ni­ti­ve­ment.

Une diode zener, quant à elle, présente la parti­cu­la­rité de pouvoir lais­ser passer du courant en pola­ri­sa­tion inverse sans pour autant être détruite. On appelle cette conduc­tion inverse le mode d’ava­lanche. Au-delà de ce point de bascule, que l’on nomme tension zener (Uz), la diode pourra lais­ser passer un courant (Iz) aussi impor­tant que sa capa­cité de dissi­pa­tion lui permet­tra de suppor­ter.

Sur le graphique ci-contre, on voit bien la zone d’uti­li­sa­tion de notre diode zener : dans cette zone rosée, peu importe l’in­ten­sité du courant (I), la tension présente aux bornes de la diode ne varie presque pas. Une diode zener a donc pour prin­ci­pal inté­rêt de permettre le main­tien d’une tension de réfé­rence.

Ci-dessus vous trou­ve­rez une ligne extraite des carac­té­ris­tiques élec­trique d’une diode de série BZX85.

À gauche son nom spéci­fique (BZX85C2V7) où l’on voit déjà que cette diode four­nira une tension de réfé­rence de 2,7 V. Vous trou­vez ensuite sa tension zener (Vz – on note­rait plutôt Uz en français), indiquée dans une four­chette entre min. et max. La tension nomi­nale (tension moyenne atten­due) et bien indiquée comme étant 2,7 volts. Est ensuite indiqué le courant mini­mum (Iz) néces­saire au main­tien de la diode en mode d’ava­lanche (80 mA). Pour calcu­ler le courant maxi­mum admis­sible à travers la diode zener, il suffit le divi­ser sa puis­sance dissi­pée maxi­mum par sa tension zener : ici 1,3 W divisé par 2,7 V – 1,3/2,7 = 0,491 – c’est-à-dire 481 mA.

Comment l’uti­lise t’on dans une alimen­ta­tion ?

Pour tirer parti de la tension de réfé­rence aux bornes de notre diode zener, nous nous pouvons l’uti­li­ser comme dans le schéma ci-contre. La résis­tance R1 et la diode zener D1 forment un divi­seur de tension d’un genre parti­cu­lier : la tension d’en­trée (Uin) se mesure aux bornes du couple R1-D1 (entre les ports d’en­trée à gauche), la tension de sortie (Uout) se mesura seule­ment aux bornes de D1, ou de RL (résis­tance symbo­li­sant la charge), cela revient au même. Si Uin augmente, l’in­ten­sité du courant augmen­tera dans ce circuit. Qu’ar­ri­vera-t-il alors ? La loi d’Ohm nous indique que la tension aux bornes de R1 augmen­tera, toute­fois la tension aux bornes de D1 restera égale à sa tension zener nomi­nale (Uz) – par exemple 2,7 volts dans le cas de la diode nous avons regardé les carac­té­ris­tiques. Pour résu­mer même si Uin change, Uout restera égale à la tension zener.

Quelques points à souli­gner :

• R1 ne doit pas avoir une valeur trop élevée, pour pouvoir lais­ser passer assez de courant pour main­te­nir la diode zener en mode d’ava­lanche. Elle doit égale­ment avoir une puis­sance admis­sible adéquate.
• Il est tout à fait possible de monter des diodes zener en série. Dans ce cas-là, la tension zener sera égale à la somme des valeurs des diffé­rentes diodes.
• Une diode zener n’est pas un compo­sant parfait : l’aug­men­ta­tion du courant qui la traverse fera monter la tension à ses bornes de sa valeur nomi­nale à sa valeur max. Cela veut dire que pour notre diode zener 2,7 volts, l’aug­men­ta­tion du courant qui la traverse pourra la faire atteindre 2,9 v.
• Autre défaut, les diodes zener sont très suscep­tibles aux chan­ge­ments de tempé­ra­ture, qui tend à faire varier leur perfor­mance.
• Mais surtout, les perfor­mances de ce circuit sont dépen­dantes du main­tien du courant zener entre une valeur mini­male et maxi­male. Le courant qui la traverse est lié au courant qui traverse la charge (elle est montée en paral­lèle avec la charge, et ne peut pas produire du courant). Elle ne peut donc pas être utilisé pour des charges deman­dant des courants impor­tants.

La loi des séries

Pour amélio­rer la régu­la­tion par diode zener, on va lui ajou­ter un tran­sis­tor bipo­laire en série, qui servira de tran­sis­tor ballast. Dans cette confi­gu­ra­tion, le tran­sis­tor repro­duira à sa sortie une tension équi­va­lente à la tension de réfé­rence de la diode zener, mais en plus il sera en mesure de géné­rer du courant. En effet, le tran­sis­tor est utilisé en collec­teur commun, montage dont nous avions expliqué qu’il ne produit pas de gain en tension (la tension de sortie sera pratique­ment égale à l’at­ten­tion présente à la base, c’est-à-dire la tension zener). En revanche, il ampli­fie l’in­ten­sité du courant.

Ce montage présente deux avan­tages prin­ci­paux :

• En premier lieu, il place moins de demande de courant sur la diode zener, puisque c’est le tran­sis­tor qui se charge de four­nir le courant néces­saire à l’ali­men­ta­tion de la charge.
• En deuxième lieu, toute modi­fi­ca­tion de la résis­tance de charge entraî­nera une modi­fi­ca­tion du courant fourni par le tran­sis­tor, ce qui évitera les chan­ge­ments de tension en sortie du circuit.

À noter cepen­dant : la jonc­tion PN entre la base et l’émet­teur (entre l’en­trée et la sortie) va causer une légère baisse de tension, de 0,6 V. Ainsi si notre diode zener nous assure une tension de 2,7 volts, la tension en sortie sera de 2,1 volts. De plus, le tran­sis­tor va être traversé par un fort courant, et va donc dissi­per par mal de puis­sance : il sera néces­saire de le monter sur un radia­teur.

Ce montage peut-être amélioré en lui ajou­tant un circuit d’as­ser­vis­se­ment de la tension de sortie. Ce circuit d’as­ser­vis­se­ment est, en fait, une boucle de contre-réac­tion qui va permettre de préle­ver une image de la tension de sortie et de l’ap­pliquer soit à la base d’un tran­sis­tor, soit à l’en­trée inver­seuse d’un ampli­fi­ca­teur opéra­tion­nel. Je vous présente rapi­de­ment ces deux solu­tions.

Ci-contre, on peut voir comment un pont divi­seur de tension, formé de R3 R4 et VR1, permet d’ob­te­nir, en son point central, une tension-image Uf à partir de la tension de sortie Uout (Uf est bien évidem­ment infé­rieure à Uout). La diode zener est toujours utili­sée pour obte­nir une tension de réfé­rence (Uz) mais, à la diffé­rence du circuit précé­dent, cette tension de réfé­rence ne sera pas néces­sai­re­ment égale à la tension de sortie : en effet, elle sert surtout de point de réfé­rence fixe, contre lequel compa­rer les varia­tions de la sortie. Q2 se charge de cette compa­rai­son, en ampli­fiant la diffé­rence entre Uf et Uz.

Ce circuit a deux proprié­tés parti­cu­liè­re­ment inté­res­santes :

• Tout chan­ge­ment de la tension de sortie aura pour résul­tat un chan­ge­ment de Uf : Q2 compa­rant et ampli­fiant la diffé­rence avec une réfé­rence fixe (Uz), chan­gera l’in­ten­sité de son courant collec­teur qui, à son tour, contrôle la base de Q1. Ainsi, si pour une raison ou une autre la tension de sortie venait à augmen­ter, par un effet de contre-réac­tion Q1 se retrou­ve­rait à conduire moins de courant – et la tension de sortie reste­rait stable.
• VR1 permet de régler Uf par rapport à Uz, et donc de choi­sir une tension de sortie. Il s’agit donc d’un circuit géné­rant une tension réglable.

Une version moder­ni­sée de ce circuit emploie un asser­vis­se­ment par ampli­fi­ca­teur opéra­tion­nel. Dans le schéma ci-contre, on voit bien comment l’en­trée inver­seuse de l’am­pli op reçoit la tension-image Uf, et ampli­fie la diffé­rence avec la tension de réfé­rence Uz. Nous avons déjà parlé plusieurs fois de l’uti­li­sa­tion des boucles de contre-réac­tion à l’en­trée inver­seuse des amplis op, et de comment l’am­pli op adapte sa tension de sortie de façon à équi­li­brer ses deux entrées. Ici l’am­pli op adapte sa tension de sortie qui, à son tour, contrôle le courant à travers Q1, son but étant de s’as­su­rer que Uf reste toujours égale à Uz.

Tout-en-un

Une version encore plus moder­ni­sée (et qui prend encore moins de place) du circuit que nous venons de présen­ter pren­dra la forme d’un régu­la­teur en circuit inté­gré.

L’im­plé­men­ta­tion dans les circuits de ces régu­la­teurs est extrê­me­ment simple : une broche sert d’en­trée, une broche de sortie, et la troi­sième est reliée à la masse. À l’in­té­rieur de ces régu­la­teurs inté­grés, on retrouve plus ou moins les mêmes choses dans le circuit précé­dent : un ampli­fi­ca­teur opéra­tion­nel, un tran­sis­tor de sortie asservi à l’am­pli op, quelques compo­sants qui permettent de limi­ter le courant et un circuit de protec­tion contre les surchauffes.

Ces régu­la­teurs portent des noms qui servent de code pour connaître leurs appli­ca­tions : après un préfixe spéci­fique au fabri­cant (LM, MC…), on trouve les nombres 78 ou 79 (selon qu’il s’agit d’un régu­la­teur posi­tif ou néga­tif) suivi de 2 chiffres indiquant la tension de sortie fixe (05, 09, 12, 18…).

Cette tension de sortie peut, malgré son carac­tère « fixe », être déca­lée, grâce à l’uti­li­sa­tion d’une diode zener instal­lée entre la borne masse et la masse.

Comment ça marche ?

C’est simple : si un régu­la­teur 12V doit géné­rer 12V par rapport à la masse (0V), il suffit que sa borne de réfé­rence ne soit pas à 0V pour déca­ler la tension de sortie. Ainsi, la tension de sortie devient alors plus ou moins égale à l’ad­di­tion de la tension de sortie annon­cée plus la tension de réfé­rence de la diode zener (plus ou moins car, comme on l’a vu, les diodes zener ne sont pas ultra précises). Ainsi, un régu­la­teur fixe 12 V, décou­plé avec une diode zener 5,1 V, sortira 12V au-dessus de 5,1V, c’est-à-dire 17,1 V (ou presque).

Une version parti­cu­liè­re­ment inté­res­sante de ces régu­la­teurs inté­grés prend la forme de régu­la­teurs à tension réglable. La broche de réfé­rence (broche de masse) devient alors ajus­table grâce à un système le contre-réac­tion. Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous, la broche est ajus­tée grâce à un divi­seur de tension, formé pour moitié d’une résis­tance variable (VR1). Une fois l’ajus­te­ment effec­tué, cette résis­tance variable peut être rempla­cée par une véri­table résis­tance, qui sera moins sujette aux varia­tions de valeur dans le temps.

À noter : la plupart de ces régu­la­teurs ont une sortie mini­male de 1,25 volts.

Les pôles, leurs emplois

En prévi­sion de la dernière partie de cette série sur les alimen­ta­tions, partie que nous consa­cre­rons à l’étude des tensions et courants dans deux modèles d’alim, il nous faut survo­ler rapi­de­ment la ques­tion des pola­ri­tés dans les alimen­ta­tions.

En effet, jusqu’ici nous n’avons abordé qu’un seul type de modèle : l’ali­men­ta­tion unipo­laire posi­tive, c’est-à-dire une alim qui vise à four­nir une tension conti­nue posi­tive par rapport à la masse. Cepen­dant, deux varia­tions, assez évidentes au demeu­rant, pour­rait égale­ment être présen­tées :

En premier lieu, une alimen­ta­tion unipo­laire mais cette fois-ci néga­tive.

Comme on le voit bien sur le schéma ci-dessus, il s’agit tout simple­ment de la même topo­lo­gie, mais le rail posi­tif (rail relié à la sortie + du pont de diode) et désor­mais connec­tée à la masse. La tension à la sortie de ce circuit est donc préle­vée entre le pôle néga­tif et la masse.

En deuxième lieu, une alimen­ta­tion bipo­laire. Une alimen­ta­tion bipo­laire a pour fonc­tion de produire une double tension symé­trique par rapport à la masse (par exemple +9V et –9V). Même s’il est possible de réali­ser une alimen­ta­tion bipo­laire à simple alter­nance, avec seule­ment deux diodes, nous nous concen­tre­rons ici sur un modèle double alter­nance où l’on voit comment, à partir d’un secon­daire à déri­va­tion centrale (center tap), un pont de diode peut être utilisé pour produire respec­ti­ve­ment un pôle posi­tif et un pôle néga­tif.

Le filtrage et la régu­la­tion de l’ali­men­ta­tion bipo­laire suit les mêmes topo­lo­gies que nous avons étudiées jusqu’ici. Toute­fois il est néces­saire de doubler le nombre de compo­sants, et de bien suivre un sens de connec­tion diamé­tra­le­ment opposé. De plus, la néces­sité de symé­trie dans ces alimen­ta­tions va néces­sai­re­ment conduire à une sélec­tion plus poin­tue des compo­sants. En effet, les perfor­mances du circuit alimenté seront indexées sur l’ap­pai­rage rigou­reux des deux rails d’ali­men­ta­tion.

Sur ces quelques remarques, nous concluons cet article théo­rique, loin d’être exhaus­tif certes mais qui, je l’es­père, vous a permis d’abor­der quelques bases. La semaine prochaine nous étudie­rons la modé­li­sa­tion des courants et tension au sein de diffé­rents exemples d’ali­men­ta­tion.