LA TENSION STABILISÉE
Un régulateur de tension est un organe électrotechnique ou un composant électronique qui maintient à sa sortie, dans certaines limites, une tension constante, indépendamment de la charge et de la tension d'entrée.
Si on mesure, à l’aide d’un multimètre, la valeur de la tension alternative débitée par le secondaire d’un transformateur et qu’on la mesure à nouveau après l’avoir redressée et stabilisée avec le condensateur électrolytique, on obtiendra une tension continue supérieure à la valeur de la tension alternative.
Le multimètre mesure les volts efficaces de la tension alternative, mais que le condensateur électrolytique se charge toujours sur la valeur de la tension crête atteinte par la demi-alternance positive.
La tension continue disponible aux bornes du condensateur est donc toujours 1,41 fois supérieure par rapport à la tension efficace.
Il faut signaler que toutes les diodes de redressement provoquent une chute de tension de 0,7 volt environ, ce qui implique que la valeur de la tension qui se trouve sur le condensateur électrolytique restera légèrement inférieure.
Si l’on redresse une tension alternative de 12 volts avec le circuit à une seule diode, on obtiendra une tension continue de :
(12 – 0,7) x 1,41 = 15,93 volts continus
Si l’on redresse une tension alternative de 12 volts avec le circuit à pont redresseur, qui utilise 4 diodes, la chute de tension ne sera pas de :
0,7 x 4 = 2,8 volts
Parce que les deux couples de diodes ne sont pas actifs simultanément mais fonctionnent alternativement. DS2 et DS3 tout d’abord puis, ensuite, DS1 et DS4 pour revenir à DS2 et DS3 et ainsi de suite. La chute de tension est donc de seulement :
0,7 x 2 = 1,4 volt
ce qui donnera une tension continue de :
(12 – 1,4) x 1,41 = 14,94 volts continus
Les valeurs de tension reportées ci-dessus seront prélevées sans charge, parce que plus le circuit que l’on alimente consomme de courant, plus la tension diminue.
En effet, toutes les alimentations munies d’une diode ou d’un pont redresseur fournissent une tension continue en sortie qui varie en fonction de la charge ainsi que de la fluctuation de la tension de secteur 120 volts qui, comme on le sait, peut se situer entre 110 et 130 volts. Pour pouvoir alimenter un circuit avec une tension qui ne subisse ni les variations de charge ni les fluctuations de la tension du courant de secteur, on devra nécessairement la stabiliser.
Une diode zener comme stabilisateur
Clarence Melvin Zener (1905 - 1993) est un physicien américain. Il fut le premier à décrire le phénomène de claquage des isolants électriques. Cette découverte fut plus tard mise à profit par les Laboratoires Bell pour mettre au point la « diode Zener »
Le système le plus simple et le plus économique pour stabiliser une tension continue est d’utiliser une diode zener.
Ces diodes, qui sont de mêmes dimensions que les diodes de redressement, se distinguent par leur valeur de tension gravée sur leur corps.
Si la valeur indiquée sur son corps est 5,1, cela signifie que la diode zener stabilise n’importe quelle tension appliquée sur son entrée sur une valeur fixe de 5,1 volts.
Si la valeur indiquée sur son corps est 12, cela signifie que la diode zener stabilise n’importe quelle tension appliquée sur son entrée sur une valeur fixe de 12 volts.
Pour qu’elle puisse remplir son rôle de stabilisateur, il faut appliquer sur la diode zener une tension supérieure à la tension à stabiliser. Il ne faut pas omettre la résistance de limitation à relier, en série, à la diode.
Si on relie directement la tension à stabiliser à la diode zener sans aucune résistance, elle s’autodétruira après seulement quelques secondes de fonctionnement.
La valeur de cette résistance de chute ne doit pas être choisie au hasard, mais calculé en fonction de la tension qui sera appliquée sur son entrée et du courant que le circuit à alimenter consomme.
La formule pour calculer la valeur ohmique de cette résistance est très simple :
où :
ohm = est la valeur de la résistance,
Vin = est la valeur de la tension que l’on appliquera sur la résistance de la diode zener,
Vz = est la valeur de la tension de la diode zener, c’est-à-dire celle de stabilisation,
mAz = est la valeur du courant qu’il est nécessaire de faire passer dans la diode zener,
mA = est la valeur du courant que le circuit à alimenter consomme avec la tension stabilisée,
1 000 = est un nombre fixe que l’on devra utiliser parce que le courant mAz et mA est exprimé en milliampère au lieu d’être exprimé en ampère.
La valeur « mAz », c’est-à-dire le courant qu’il est nécessaire de faire parcourir dans la diode zener pour pouvoir stabiliser une tension, varie en fonction de sa puissance.
Pour les diodes zener de 1/2 watt, on pourra choisir un courant maximal de 20 mA. En fait, on choisit toujours un courant inférieur, c’est-à-dire 12, 8 ou 6 mA.
Pour les diodes zener de 1 watt, on pourra choisir un courant maximal de 30 mA. En fait, on choisit toujours un courant inférieur, c’est-à-dire 20, 15 ou 8 mA.
Exemples de calcul
Nous avons une tension de 14 volts que nous voulons stabiliser à 9 volts pour pouvoir alimenter une lumière.
Sachant que le circuit consomme 10 mA, nous voudrions connaître la valeur de la résistance R1 à appliquer sur la diode zener.
Solution :
Dans un premier temps, nous cherchons une diode zener de 9 volts. Ne l’ayant pas trouvée, nous utilisons une diode zener de 9,1 volts.
En admettant que nous voulions faire débiter un courant de 14 mA sur cette diode, nous devrions utiliser cette formule :
En y insérant les données que nous possédons, nous obtiendrons :
= 204 ohms
Étant donné que cette valeur ohmique n’est pas une valeur standard, on choisira la valeur standard la plus proche, c’est-à-dire 180 ohms ou 220 ohms.
En admettant que l’on choisisse 180 ohms, si nous voulons connaître le courant qui parcourt la diode zener, nous pourrons utiliser la formule :
Et nous obtiendrons alors un courant total de :
= 27 mA
Etant donné que le circuit consomme 10 mA, le courant qui parcourt la diode zener est donc un courant de seulement :
27 – 10 = 17 mA
Les inconvénients de la diode zener
Les diodes zener peuvent être utilisées pour alimenter des circuits qui consomment des courants de quelques dizaines de milliampères seulement.
En outre, il ne faut pas oublier que si le courant consommé varie, il faut chaque fois recalculer la valeur ohmique de la résistance R1.
En réduisant la valeur ohmique de la résistance, on ne pourra jamais désactiver le circuit que nous alimentons car le courant qu’il consomme basculerait alors entièrement sur la diode zener qui deviendrait inutilisable après seulement quelques secondes.
Il faut également savoir que toutes les diodes zener, comme tout autre composant électronique, ont une tolérance spécifique à chacune. Ne vous étonnez donc pas si une diode zener donnée pour 5,1 volts stabilise la tension sur une valeur inférieure, c’est-à-dire 4,8 ou 4,9 volts, ou bien sur une valeur supérieure, c’est-à-dire 5,2 ou 5,4 volts.
C’est la raison pour laquelle il est normal qu’une diode zener de 12 volts stabilise une tension sur une valeur de 11,4 volts ou de 12,6 volts.
Une diode zener et un transistor
Pour alimenter des circuits qui consomment des courants supérieurs à 0,1 ampère, il est préférable d’utiliser un circuit, qui utilise une diode zener ainsi qu’un transistor de puissance.
Si on place une diode zener dans la base d’un transistor NPN, on réalisera un stabilisateur de tension capable d’alimenter un quelconque circuit pouvant consommer jusqu’à un maximum de 2 ampères.
Il est bien évident que le transistor que l’on utilisera dans cette alimentation devra être capable de supporter un courant supérieur. Donc, si l’on a besoin d’un courant de 1 ampère, on devra choisir un transistor capable de débiter au moins 2 ampères.
Si l’on a besoin d’un courant de 2 ampères, on devra choisir un transistor capable de débiter au moins 4 ampères.
La tension que l’on prélèvera sur l’émetteur sera toujours inférieure d’environ 0,7 volt par rapport à la valeur de la diode zener car elle chutera de 0,7 volt en passant de la base à l’émetteur du transistor. Donc, si on place une diode zener de 5,1 volts dans la base du transistor, on prélèvera sur son émetteur une tension stabilisée de seulement :
5,1 – 0,7 = 4,4 volts
Si on place une diode zener de 12 volts dans la base du transistor, on prélèvera sur son émetteur une tension stabilisée de seulement :
12 – 0,7 = 11,3 volts
Pour augmenter la sortie de 0,7 volt
Pour compenser la chute de tension dans le transistor, on devrait placer dans la base une diode zener prévue pour une tension supérieure de 0,7 volt par rapport à celle requise en sortie.
Puisqu’on ne trouvera jamais de diode zener de 9,7 volts ou de 12,7 volts, pour pouvoir augmenter de 0,7 volt la tension qu’elle stabilise, il suffit de lui relier en série une diode au silicium normale
Comme vous le savez certainement déjà, toutes les diodes au silicium provoquent une chute de tension de 0,7 volt.
C’est pour cela que si l’on relie en série une quelconque diode à une diode zener de 12 volts, on retrouvera sur la base du transistor une tension stabilisée de :
12 + 0,7 = 12,7 volts
En reliant en série deux diodes normales sur une diode zener de 12 volts, on retrouvera sur la base du transistor une tension stabilisée de :
12 + 0,7 + 0,7 = 13,4 volts
Important : La bague-détrompeur, placée sur une extrémité du corps de la diode zener (côté cathode K), doit être dirigée vers la résistance R1, tandis que la bague-détrompeur, placée sur une extrémité du corps de la diode au silicium (côté cathode K), doit être dirigée vers la masse.
Si l’on inverse la polarité d’une seule diode, on trouvera sur l’émetteur la même tension que celle appliquée sur le collecteur.
La valeur de la résistance R1
Pour calculer la valeur de la résistance R1 à utiliser dans cette alimentation, il faudrait connaître le Hfe, c’est-à-dire le gain du transistor TR1.
En admettant que le transistor choisi ait une Hfe de 50, on pourra calculer la valeur du courant qui doit être débité sur la base avec la formule :
En fait, le transistor est utilisé dans ces alimentations comme amplificateur de courant, donc, sa Hfe influe sur le courant que l’on veut prélever sur son émetteur.
Si l’on veut prélever un courant de 1,5 ampère sur cette alimentation, il faut que le courant qui passe sur la base du transistor TR1 soit de :
= 30 mA
En fait, le courant maximal qu’un transistor peut débiter se calcule avec la formule :
Si le transistor utilisé a une Hfe de 35 au lieu de 50, on ne réussira pas à prélever plus de :
= 1 ampère
En connaissant le courant de la base, que nous indiquerons avec « Ib », on pourra calculer la valeur de la résistance R1 avec la formule :
où :
Vin = est la valeur de la tension à appliquer sur le collecteur du transistor TR1 qui, dans notre exemple, est de 18 volts,
Vu = est la valeur de la tension que l’on veut obtenir sur la sortie de l’alimentation, c’est-à-dire 12 volts,
0,7 = est la chute de tension introduite par le transistor de puissance TR1,
Ib = est le courant que l’on applique sur la base du transistor TR1 que nous avons calculé et qui est de 30 mA,
8 = est la valeur du courant que l’on devra faire débiter sur la diode zener.
En insérant ces données dans la formule que l’on a mentionnée plus haut, on obtiendra :
= 139 ohms
valeur que l’on pourra arrondir à 120 ou 150 ohms.
Pour obtenir une tension de 12 volts en sortie, on ne devra pas utiliser une diode zener de 12 volts mais une de 12,7 volts pour compenser la chute de tension de 0,7 volt provoquée par le transistor.
Si l’on utilise une diode zener de 12 volts, on prélèvera alors sur la sortie, une tension de :
12 – 0,7 = 11,3 volts
La valeur 12,7 volts n’étant pas une valeur standard, on pourra utiliser une zener de 12 volts, en reliant en série une diode au silicium.
La tension sur l’entrée collecteur
Sur le collecteur du transistor TR1, il faut appliquer une tension « Vin » qui soit toujours 1,4 fois supérieure à la valeur de tension que l’on veut prélever sur l’émetteur.
Donc, si l’on veut obtenir en sortie une tension stabilisée de 9 volts, on devra appliquer sur le collecteur une tension qui ne soit pas inférieure à :
9 x 1,4 = 12,6 volts
Pour obtenir en sortie une tension stabilisée de 24 volts, on devra appliquer sur le collecteur une tension qui ne soit pas inférieure à :
24 x 1,4 = 33,6 volts
Signalons que plus la différence entre la tension « Vin » appliquée sur le collecteur et la « Vu » prélevée sur l’émetteur est importante, plus le transistor chauffera.
Donc, afin d’éviter qu’il ne se détériore, on devra appliquer sur son corps un radiateur de refroidissement qui permettra de dissiper la chaleur générée.
Si l’on choisit un transistor de puissance et qu’il a les caractéristiques suivantes :
Puissance de dissipation maximale 60 watts
Courant maximal 3 ampères
On ne pourra jamais lui faire dissiper 60 watts, car cette puissance est dissipée par le transistor seulement si la température de son corps ne dépasse pas 25°.
Étant donné que la température du corps atteint toujours des valeurs de 40 ou 50°, on devra réduire la puissance maximale à dissiper d’environ 1/3, donc, nos 60 watts deviendront 20 watts.
C’est pour cette raison que si on applique sur le collecteur une tension de 35 volts et qu’on la stabilise sur 24 volts, la différence entre la tension « Vin » appliquée sur l’entrée et la « Vu » prélevée en sortie multipliée par les ampères, sera entièrement dissipée en « watts chaleur », ce que l’on peut calculer grâce à cette simple formule :
où :
Vin = est la tension appliquée sur le collecteur
Vu = est la tension prélevée sur l’émetteur
Ampère = est le courant prélevé sur la sortie
Avec une « Vin » de 35 volts, une « Vu » de 24 volts et une consommation de courant de 1,5 ampère, le transistor TR1 dissipera en chaleur :
= 16,5 watts
Si l’on stabilise la tension de sortie sur 9 volts et que l’on alimente un circuit qui consomme 1,5 ampère, le transistor TR1 dissipera en chaleur une puissance de :
= 39 watts
Pour ne pas faire dissiper plus de 20 watts au transistor TR1, on devra réduire le courant d’absorption et pour connaître la valeur maximale des ampères pouvant être prélevée, on pourra utiliser cette formule :
Donc, si l’on prélève 9 volts sur une sortie, pour ne pas faire dissiper plus de 20 watts au transistor TR1, on devra prélever un courant maximal de :
= 0,76 ampère
Comme vous avez pu le remarquer, plus on diminue la tension stabilisée que l’on veut prélever en sortie, plus on devra réduire le courant d’absorption.
Les circuits intégrés stabilisateurs fixes de tension
Depuis déjà longtemps, il existe des circuits intégrés munis de 3 pattes en mesure de fournir en sortie des tensions stabilisées positives ou négatives sur des valeurs fixes de 5, 8, 12, 15, 18, et 24 volts.
Les régulateurs intégrés de mêmes dimensions qu’un transistor de puissance sont en mesure de débiter un courant maximal de 1 ampère, à condition que leur corps soit fixé sur un radiateur de refroidissement.
Si ce n’est pas le cas, il ne sera pas possible de prélever plus de 0,5 ou 0,6 ampère car, dès que leur corps dépassera la température maximale autorisée par le fabricant, la protection thermique interne s’activera et limitera le courant de sortie.
Tous les circuits intégrés qui commencent par les chiffres « 78 » stabilisent uniquement les tensions positives, comme on peut le voir dans le tableau suivant.
Tous les circuits intégrés qui commencent par les chiffres « 79 » stabilisent uniquement les tensions négatives, comme on peut le voir dans le tableau suivant.
Bien que leurs dimensions soient assez réduites, ces deux stabilisateurs contiennent un circuit électrique complexe composé de 18 transistors, 22 résistances et 3 diodes zener.
La tension à stabiliser est appliquée sur la patte « E » (entrée), la tension stabilisée est prélevée sur la patte « S » (sortie), tandis que la dernière, la patte « M », est reliée à la masse.
La tension d’entrée à appliquer sur l’entrée d’un circuit stabilisateur devait être 1,4 fois supérieure à la tension à stabiliser.
Si cela s’applique également pour les circuits intégrés régulateurs 12, 15, 18 et 24 volts, ce n’est pas le cas pour ceux de 5 ou 8 volts.
En ce qui concerne les circuits intégrés stabilisateurs de 5 volts, la tension à appliquer sur l’entrée ne doit pas être inférieure à 9 volts.
En ce qui concerne les circuits intégrés stabilisateurs de 8 volts, la tension à appliquer sur l’entrée ne doit pas être inférieure à 12 volts.
Signalons que tous les circuits intégrés stabilisateurs, comme tous les autres composants électroniques, ont leur propre tolérance.