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Les régulateurs monolithiques


5.1 Introduction

Les divers organes et fonctions qui composent les appareils électroniques modernes sont de plus en plus modulaires. L'alimentation de ces appareils a fait l'objet de beaucoup d'efforts, de miniaturisation et de simplification. Nous avons vu dans les modules précédents comment transformer une source d'énergie alternative en une source d'énergie positive. Cependant, une telle alimentation est à la merci des fluctuations de la tension du secteur et des soubresauts de l'appareil lui-même. Il est donc important d'obtenir une tension stable à la sortie du bloc d'alimentation, indépendante des variations de son environnement.
Suite au redressement et au filtrage, on installera donc un régulateur de tension.Auparavant, cette fonction électronique était plutôt complexe à réaliser et demandait de l'espace. Aujourd'hui, de simples circuits intégrés à trois broches, et de dimensoins très réduites, ont pris la relève.
Plusieurs circuits intégrés à trois broches (entrée, point commun et sortie) sont disponibles sur le marché dans une grande gamme de tensions et de courants de sortie. Ils offrent une façon simple et peu dispendieuse de construire une source d'alimentation stable. Leurs principaux avantages sont les suivants.
- Ils sont facile d'usage.
- Ils ne demandent que peu de composants externes.
- Ils sont fiables.

- Ils possèdent une protection thermique interne.
- Ils possèdent une protection contre les courts-circuits.
Ils ont aussi des désavantages. Ils ne peuvent pas tous être peaufinés et leur précision peut varier jusqu'à 5% par rapport à la valeur nominale. Les valeurs de tension de sortie disponibles sont limitées. La limite en courant de ces régulateurs n'est pas ajustable; il faut donc considérer les carractéristiques de ceux-ci. Si on essayait d'augmenter leur capacité de courant maximum de sortie, cela demanderait un réseau externe encombrant.
Le régulateur de tension positive à trois broches de la famille 7800 est un exemple de régulateur monolithique. La Figure 5-1 montre l'application standard d'un tel régulateur.
-Ce élimine l'effet inductif des longs conducteurs.
-Cs améliore la réponse en régime transitoire.
Ces régulateurs sont préréglés à 5, 6, 8, 12, 18 ou 24 volts. Par exemple, un 7805 est un régulateur à 5 volts et un 7824 est un régulateur à 24 volts.

5.2 Détermination de la tension d'entrée

Ces régulateurs, jusqu'à un certain point, se protégent eux-même. Ils contiennent une protection électronique considérant la température, la tension différentielle (U entrée - U sortie) et le courant débité à la sortie (voir la Figure 5-2). Avec l'ajout d'un radiateur thermique approprié, ces circuits intégrés peuvent fournir des courants au-delà de l'ampère.
La Figure 5-2 est valable seulement pour la série 7800 (positifs) et 7900 (négatifs). Remarquez que les courbes débutent à 3 volts. Ceci veut dire que la tension différentielle minimale devant être présente est 3 volts; c'est le minimum nécessaire afin d'assurer le fonctionnement du régulateur intégré. Par exemple, un régulateur 7805, possédant une tension U sortie de 5 volts, doit avoir comme tension minimale d'entrée pour fonctionner, 5 volts + 3 volts, c’est-à-dire 8 volts. Le maximum est fixé à 35 volts pour tous les régulateurs de cette famille, sauf le 7824 et 7924 pour qui le maximum est 40 volts.
Sur la Figure 5-2, l'inscription Tj signifie la température de jonction, c’est-à-dire la température à l'interne de la puce atteinte lors de son fonctionnement. Vous remarquez aussi deux courbes: une à Tj = 25°C et l'autre à Tj = 125°C. Il est utopique de dire qu'il est possible de conserver la température interne de la puce à 25°C. On pourrait peut être remplir son bain de glace et boulonner le régulateur à celui-ci. Mais enfin!
La courbe à considérer sérieusement est celle pour laquelle la température indiquée est 125°C. C'est la température interne qu'il ne faut pas dépasser. Ceci implique, si le régulateur a dissipé une certaine puissance, l'installation d'un radiateur thermique.

# 1 - Exemple

Question
En utilisant la courbe où Tj vaut 125°C, trouvez la tension d'entrée maximale applicable à un régulateur 7805 pour obtenir un courant disponnible de 750mA.
Solution
À la Figure 5-2, 750mA sur la courbe Tj = 125°C coïncide avec 21V.
Uentrée = 5V + 21V = 26V.

# 2 - Exemple

Question
En utilisant la courbe où Tj vaut 125°C, trouver la tension d'entrée maximale applicable à un régulateur 7812 pour obtenir un courant disponnible de 1,5 A.
Solution
A la Figure 5-2, 1,5A sur la courbe Tj = 125°C coïncide avec 9V.
Uentrée = 12V + 9V = 21V.
En examinant la Figure 5-2, on peut aussi remarquer une région de fonctionnement idéale. Cette région se situe entre 6V et 9V; on y obtient le maximum en disponibilité de courant. Il faut aussi laisser de la place au ronflement de la tension d'entrée; ce qui justifie la marge inférieure de 6V. Aussi il est sage de garder la tension différentielle le plus bas possible de façon à limiter la dissipation de puissance du régulateur.

5.3 Determination du radiateur a installer

Ces régulateurs se présentent installés dans plusieurs sortes de boîtiers différents. Les deux principaux boîtiers dans lesquels on les retrouve sont le TO-220 et le TO-3. Ces boîtiers sont pourvus d'une fixation en métal permettant l'installation d'un radiateur thermique.
La dimension physique du radiateur à employer est déterminée par la quantité de chaleur que le régulateur aura à dégager; il faut donc connaître la puissance à dissiper.
Pd = U différentielle x I sortie
On doit ensuite consulter les caractéristiques du régulateur employé afin de trouver sarésistance thermique qjc. Celle-ci est exprimée en °C/W. Dans un boîtier TO-220, elle vaut 5°C/W et dans un boîtier TO-3, elle vaut 5,5°C/W.
Si, par exemple, un régulateur installé dans un boîtier TO-220 avait à dissiper 10 watts, quelle serait la résistance thermique du radiateur à installer?
On fait premièrement le dessin suivant
Figure 5-3
Ta = température ambiante
qjc = résistance thermique de la puce au boîtier
qsa = (le radiateur) = résistance thermique du boîtier à l'ambiant
L'augmentation de température maximale permissible dans ce cas est:
DT = 125°C - 25°C = 100°C.
La résistance thermique totale maximum sera:
qja = 100°C / 10W = 10°C/W
La résistance thermique du radiateur doit donc être au maximum:
qsa = 10°C/W - 5°C/W = 5°C/W
Il faut ensuite choisir dans un catalogue (Thermaloy par exemple) le radiateur approprié.

# 1 - Exemple

Question
Installez un régulateur (boîtier TO-220) ayant une tension de sortie de 12V et fournissant un courant de 500mA.
Figure 5-4
U entrée = 20V qjc = 5°C/W
Ta = 25°C Tj max = 125°C
a) U différentielle = ?
b) Pd = ?
c) qsa du radiateur = ?
Solution
U différentielle = U entrée - U sortie = 20V - 12V = 8V
Pd = 8V x 500mA = 4W
DT = 125°C - 25°C = 100°C
qja = 100°C / 4W = 25°C/W
qsa = 25°C/W - 5°C/W = 20°C/W
Il est à remarquer que plus qsa est grand, plus le radiateur est petit. Un radiateur de faible dimension a une grande résistance thermique et, à l'inverse, un radiateur de grande dimension a une résistance thermique faible.

5.4 Exemple de conception complete d'une alimentation régulée

Données
U sortie = 5V I sortie = 750mA
U différentielle = 9V er = 3,2V c.à c., 100Hz (redressement avec pont)
Ta = 25°C Boîtier = TO-220 (7805)
a) Pd = ?
b) qsa du radiateur
c) C filtrage
d) U entrée max
e) es du transformateur à utiliser
f) Puissance tranformable du transformateur en VA
Solution
Pd = 9V x 750mA = 6,75W
qsa = 100°C / 6,75W - 5°C/W = 9,8°C/W
Figure 5-5
C filtrage = 750mA / (3,2Vc.à c. x 100Hz) = 2344µF
Umax = U entrée + er / 2 = 5V + 9V + 3,2V / 2 = 15,6V
es du transformateur = (15,6V + 1,4V) / 1,414 = 12V rms
Puissance du transformateur = P total = U entrée x I sortie =
(9V + 5V) x 750mA = 10,5VA
Figure 5-6

5.5 Régulateur monolithique ajustable

Il existe une solution au désavantage des régulateur fixes à trois broches; une famille de régulateurs ajustables existe. Le LM317, un régulateur positif et le LM337, un régulateur négatif, ont cette propriété.
Parfois, le besoin d’une tension de sortie non-standard se fait sentir. Ou peut-être, désirez-vous une tension de sortie ajustée plus précisément que celle d’un régulateur fixe? Jusqu’à maintenant vous avez été choyés par les régulateurs fixes à trois broches. Et bien, voici le régulateur ajustable à trois broches!
Le LM317 et le LM337 sont capables d’un courant de sortie de l’ordre de 1,5 ampères et d’une gamme de tensions s’étendant de 1,25 volt à 37 volts. Ces régulateurs sont exeptionnellement faciles à utiliser. Ils n’ont besoin que de l’ajout de deux résistances externes. Comme dans le cas des régulateurs fixes, ils contiennent une protection en courant, en tension et une protection thermique les rendant durs à cuire.
On les retrouve aussi dans les mèmes boîtiers que les régulateurs fixes: le TO-220 et le TO-3. La Figure 5-7 montre l’application standard.
U sortie = 1,25V x (1 + R2 / R1)
La tension de sortie est ajustée par R2. Lorsque R2 est au minimum (0W), la tension de sortie est à son minimum, c’est-à-dire 1,25 volt. Le choix de R1 (240 W) vient du fait que ce régulateur exige un courant minimum de sortie de 5mA pour fonctionner. R1 = 1,25V / 5 ma = 250W. La résistance thermique de cette puce est 2,3°C/W pour le boîtier TO-3 (LM317K) et 5°C/W pour le boîtier TO-220 (LM317T).
La Figure 5-8 présente la courbe du courant maximum de sortie en fonction de la tension différentielle (Ue - Us) du régulateur. On peut remarquer que la zone idéale se trouve autour de 10 volts.
Le manufacturier propose des améliorations. Le circuit standard (Figure 5-7) fonctionne très bien. Cependant, l’addition d’un condensateur de 10µF améliore le ronflement présent à la sortie de 15 dB (facteur de 5 en tension). Il faut cependant ne pas oublier d’inclure une diode de sécurité afin de décharger ce condensateur. La Figure 5-9 montre ces améliorations.

# 1 - Exemple

Question
a) Trouvez à la Figure 5-9 la valeur de la résistance R2 de sorte que la tension de sortie soit 10 volts.
b) Si U entrée vaut 20 volts, trouvez le courant de sortie maximum selon la Figure 5-8.
Solution
VR1 = 1,25V
IR1 = IR2 = 1,25V / 240W = 5,21mA
UR2 = 10V - 1,25V = 8,75V
R2 = 8,75V / 5,21mA = 1,68kW
U différentielle = 20V - 10V = 10V
I sortie max = 1,8A (Figure 5-8)

# 2 - Exemple

Figure 5-10
Question
a) R2 = ?
b) U différentielle = ?
c) Pd = ?
d) qsa = ?
Solution
UR2 = 15V - 1,25V = 13,75V
IR2 = IR1 = 1,25V / 240W = 5,21mA
R2 = 13,75V / 5,21mA = 2,64kW
U différentielle = U entrée - U sortie = 22V = 15V = 7V
Pd = 7V x 1A = 7W
qjc = 2,3°C/W (TO-3)
qja = 100°C / 7W = 14,3°C/W
qsa = 14,3°C/W - 2,3°C/W = 12°C/W
Figure 5-11

# 3 - Exemple

Figure 5-12
Question
a) R2 = ?
Solution
IR2 = IR1 = 1,25V / 240W = 5,21mA
UR2 = 18V - 1,25V = 16,75V
R2 = 16,75V / 5,21mA = 3,22kW

5.6 Exercices

# 1 - Quelle est la région idéale de fonctionnement d'un régulateur intégré de type 7800 ou 7900? (Figure 5-2)

# 2 - À la Figure 5-2, quelle est la tension différentielle maximale applicable à un 7805 de sorte qu'il puisse fournir un courant de 1 ampère avec une température interne de 125°C?

# 3 - Suite au #2, quelle puissance aura à dissiper le régulateur?

# 4 - Un régulateur de type 7812 (TO-220) est appelé à fournir un courant de 1 ampère avec une tension d'entrée moyenne de 20V. Trouvez la résistance du radiateur à installer de sorte que la température interne du régulateur ne dépasse 125°C (Ta = 25°C). Dessinez le circuit thermique.

# 5 - Examinez le circuit suivant:

a) Ue moyen = ?
b) Pd = ?
c) qsa = ?
d) C filtrage = ?
e) Est-ce que le transformateur est suffisamment puissant?

# 6 - Faites la conception d'une alimentation régulée selon les données suivantes; faites le diagramme schématique.

U sortie = 12V positif
I sortie = 800mA
U différentielle = 7V
er = 3Vc.à c., 100Hz, redressement en pont
Ta = 25°C
Le boîtier du régulateur est un TO-220.
a) Pd = ?
b) qsa = ?
c) C filtrage = ?
d) Ue max = ?
e) es du transformateur à utiliser = ?
f) Puissance transformable du transformateur = ?

# 7 -

a) U sortie = ?
b) Pd = ?
c) qsa = ?

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