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Technique - La régulation
La régulation


Dernier chapitre concernant les alimentations, la régulation. Nous avons jusqu'à présent vu les dispositifs redresseurs et filtreurs et nous avons constaté que la tension de sortie avait tendance à fluctuer en fonction des variations de charge. Comment lutter contre cela, la réponse ici...
Il existe plusieurs solutions techniques pour résoudre ce problème, de la plus simple à la plus complexe.
La solution la plus simple, la diode zener :

J'imagine que vous vous souvenez du montage. On applique la tension Vcc non régulée et on retrouve, aux bornes de la zener, une tension, dite tension de zener, constante ou presque. Quand la température jonction croît la tension a tendance à croître également, ceci reste toutefois limité. La résistance en série polarise la diode.

La particularité de la zener c'est qu'on l'utilise uniquement dans sa zone de claquage, en d'autres termes, elle sera toujours polarisée en inverse.
La diode zener est un dispositif de basse puissance et il conviendra de ne pas dépasser la puissance limite acceptable.
On calcule la puissance dissipée par la diode par P = U. I
avec U = tension de zener
avec I = courant dans la diode
Vous remarquerez que la puissance max est vite atteinte pour une zener classique de 1,3W. Prenons une zener 12V, il suffit de 110 mA et c'est gagné.
Voyons rapidement pourquoi cela régule car les principes généraux seront toujours applicables aux autres types d'alimentation.

Voici la caractéristique inverse, donc de fonctionnement normal, de la diode zener. On constate qu'une grande variation de tension d'entrée n'est traduite que par une faible variation de la tension de sortie tandis que le courant est passé du simple au double. Sur le graphique j'ai adouci la pente de la zener, en réalité c'est beaucoup plus pentu.
Vous aurez sans doute remarqué qu'une résistance est placée en série dans la zener, cette résistance est indispensable pour la polarisation de la diode. Il est aisé de calculé le courant qui la traverse et par là même de calculer le courant de zener.
                                  Vcc -  Vz
Le courant  I dans R =  _________ 
                                        R
Vz = tension de zener en V
Vcc = tension d'alimentation en V
R = résistance série en
W
Bon, ce système est sympathique mais limité, voire très limité. La puissance max de la zener est très vite atteinte, la régulation est quand même moyenne (dépendante de la pente de la caractéristique), il faut trouver autre chose.

La régulation série :

L'idéal serait d'avoir une référence de tension stable qui piloterait un dispositif susceptible de fournir du courant à la demande.
Deus ex machina le voilà.
Une diode zéner est polarisée par une résistance R1 fournissant une tension de référence stable à la base d'un transistor. Le montage est alimenté par une tension Vcc supérieure à celle désirée en sortie, la charge Rc est connectée entre émetteur et masse.

Nous savons depuis de nombreux chapitres que la tension sur l'émetteur vaut la tension présente sur la base moins la chute de tension de la jonction base-émetteur, c'est une constante. Comme la tension de base est fixée par la diode zéner, la tension d'émetteur sera très stable et égale à Vz - Vbe. Les variations de charge n'auront pas d'influence sur la tension de sortie... Nous régulons. Eurêka

Vous n'êtes guère habitué à cette représentation d'une régulation série, regardez, faisons basculer le tout de 90°, cela va vous rappeler quelque chose.
A la place de Vin, il suffit de mettre un transformateur, un redresseur et un filtre et nous obtenons l'ébauche d'une alimentation stabilisée.
Prenons un exemple numérique de manière à concrétiser cela. Supposons que Vin = 18V, R1= 470  W,  le gain en courant b du transistor = 100, la zener est de 13V et la charge de 100 W.
Calculons le courant dans R1, puis le courant dans la zéner et le courant de charge qui circule dans Rc.
Calcul du courant IR1

            Vin - Vz       18 - 13
I R1 = _________ = ________ = 10,6 mA
              R1              470
Calcul de la tension de régulation

Ur = Vz - Vbe = 13 - 0,7 = 12,3V
Calcul du courant de charge

              Ur       12,3
IR1 =  ______=  _____= 0,123 A
             Rc        100
Calcul du courant de base

         Ic       0,123
Ib =  ____ = ______= 1,23 mA
        
b          100
Calcul du courant de zener 

Iz = IR1 - Ib = 10,6 - 1,23 = 9,37 mA
Vous constaterez que l'on peut faire varier la valeur de la résistance de charge  ce qui modifie naturellement la valeur du courant débité sans que cela influe sur la valeur de la tension de sortie. Ce système a lui aussi des limites, nous allons perfectionner notre alimentation pour parvenir à un modèle exploitable.

Perfectionnons et aboutissons :

Nous avons tous les éléments en main, il nous reste juste à perfectionner la régulation de manière à rendre la tension de sortie totalement indépendante de toute fluctuation. Pour réaliser cela, il n'y a pas de mystère, il faut créer un système qui contrebalancera ces variations et ce système nous l'avons déjà vu en amplification, c'est la contre-réaction.

Quelques explications concernant le montage:

R4 est la résistance qui polarise la zener. Un pont diviseur formé par R1, le potentiomètre et R2 ramène une partie de la tension de sortie sur la base de T3. Le potentiomètre sert à ajuster la tension de sortie que l'on désire. Si l'on ramène ce potentiomètre sur la face avant, nous obtiendrons une alimentation variable régulée. C'est-y pas beau l'électronique ?.
Bon comment cela fonctionne t-il ?

  • Supposons le montage en équilibre, tout baigne, la tension de sortie est stable à la valeur que nous avons choisi. La valeur de la tension ramenée sur la base de T3 vaut :
               R1
    Us x _______     pour nos calculs négligeons le potentiomètre, il se divise en 2 parties inégales ou
            R1 + R2    égales qui s'ajoutent à R1 et R2.

  • Imaginons maintenant que la tension de sortie baisse brutalement consécutivement à un appel de courant de la charge. La tension ramenée sur la base de T3 va diminuer entraînant une diminution du courant  collecteur de T2. Si Ic2 baisse, la chute de tension aux bornes de R3 diminue ce qui se traduit par une élévation du potentiel sur la base de T2 d'où une augmentation de la tension de sortie.
Plus scientifiquement on peut écrire que le potentiel sur la base de T3 que l'on va appeler Ub3 vaut Vbe + Vz (chute de tension dans la jonction + tension de zener).
                                                R2
Mais Ub3 vaut également  Us .  _______
                                              R1 + R2
On peut donc écrire que :

Vz + Vbe =  Us (R2/R1+R2) toujours ok ?

ce qui peut aussi s'écrire :
             Vz + Vbe
Us = _____________
            R2/R1+R2

Ceci démontre que la tension de sortie est variable grâce au rapport R2/R1+R2 et qu'elle dépend d'une constante qui est l'addition de la tension de Vz + Vbe.
La régulation rend la tension de sortie indépendante des fluctuations de tension d'entrée et du courant de sortie. En clair, la tension d'entrée, issue du redresseur et du filtre peut varier (elle ne s'en prive pas d'ailleurs), la régulation maintient à niveau constant la tension de sortie. De même les variations de courant de charge n'influencent pas la tension de sortie.

La technologie des composants évolue et nous fournit aujourd'hui des régulateurs intégrés, c'est magique. Il s'agit de la série de 78 et 79xx. La série 78 produit des régulateurs de tensions positives, la série 79 des régulateurs de tensions négatives.
Le marquage est simple à comprendre, un 7812 régulera une tension de sortie à 12V.
Ces régulateurs ne sont pas des régulateurs de puissance, le courant maximal est de l'ordre de 1,5 A ce qui n'est déjà pas si mal.
Cela se présente comme cela

Voici comment se monte un tel régulateur, avouez qu'on ne peut imaginer plus simple. Les condensateurs que vous voyez en entrée et sortie ne sont pas là pour filtrer mais pour éviter les oscillations du dispositif

Supposons sur nous disposions d'un régulateur 5V et que nous ayons besoin de 6V, nous pouvons insérer une diode dans la broche de masse, la tension régulée d'élévera à 5,7V. Si vous mettez deux diodes, la tension montera à 6,4V etc.
Considérations pratiques :

Comme j'ai déjà eu l'occasion de l'écrire à un ami, l'alimentation est un organe souvent négligé par les radioamateurs et considéré comme accessoire si ce n'est secondaire. Or cet ensemble est capable de vous envoyez très rapidement votre merveilleux émetteur-récepteur acheté à prix d'or chez le réparateur.
En général, l'alimentation est sous dimensionnée (n'oubliez pas que nous lui demandons 22A sous 13,8V pour la majorité des appareils modernes), il n'y a pas assez de transistors ballast (les ultimes transistors, T2 dans notre exemple). Ceux-ci, qui ont une puissance importante à dissiper en chaleur finissent par se mettre en court-circuit. Et que se passe t'il quand ils sont en CC, il(s) connecte(nt) directement la tension non régulée sur la sortie et votre bidule voit une jolie tension de 25 à 30 V apparaître ce qui provoque quelques dégâts.

lL faut prendre quelques précautions pour la conception et la construction d'une alimentation qui va être le frontal de votre transceiver (pour les non initiés, les émetteurs-récepteurs modernes coûtent entre 8000 et 30 000F). Il faudra surdimensionner les ballasts, le refroidisseur et si possible ventiler les transistors.
On adjoindra un dispositif simple qui fera fondre rapidement le fusible si les désagréments décrits ci-dessus venaient à se produire. C'est une précaution indispensable.

Voilà, c'est tout pour aujourd'hui. Méditez bien et on se retrouve pour la suite.