Tout dispositif électronique a besoin d'une tension continue pour fonctionner, cette tension peut provenir directement des piles ou des batteries, mais généralement elle est extraite du secteur à l'aide des dispositifs qui transforment l'énergie alternative en énergie continue.
Deux procédés existent généralement pour assurer cette transformation. On note ainsi:
Les alimentations stabilisées linéaires, donc la structure générale est la suivante:

Le transformateur abaisse la tension du secteur à un niveau acceptable. Cette tension est ensuite redressée, filtrée et stabilisée.
Ce type d'alimentation est adopté aux petites puissances (S<25VA). Car lorsque la puissance augmente, il faudra utiliser un gros transformateur, ce qui est encombrant.
Les alimentations à découplage. Le synoptique est le suivant:

Dans ce type d'alimentation, on n'utilise pas des transformateurs. La tension du secteur est directement redressée et filtrée. Un transistor fonctionnant en interrupteur a des fréquences inaudibles (f>20KHz), assure le découplage de cette tension. La tension est ensuite filtrée pour être utilisée. La tension de sortie de référence permettant ainsi la régulation.
Ce type d'alimentation est beaucoup utilisé lorsque la puissance de sortie est grande. Dans le cadre de ce cour, nous n'étdierons que les alimentations linéaires stabilisées.
On fera l'étude approfondie des synoptiques ci-dessus.

 

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Les alimentations linéaires stabilisées

Le transformateur

Le transformateur utilisé ici est un transformateur abaisseur de tension.

Le redressement

Grandeur caractéristique du redressement

• La valeur moyenne de tension et du courant de sortie V_{S moy} et I_{S moy}
• La valeur efficace de la tension et du courant de sortie.
• Le facteur de forme: F = V_{S eff}/V_{S moy}
• Le tau d'ondulation: B = V_{S ond eff}/V_{S moy} ; V_{S ond} = V_S - V_{S moy}
  F = (1 + B²)^½

Redressement mono alternance

La double alternance à transformateur à point milieu

Redressement double alternance à pont de Graëtz

Le filtrage

Après le redressement, on obtient une tension continue dont l'ondulation est trop élevée. Pour diminuer cette ondulation, on fait le filtrage. Le but du filtrage est de transformer la tension redressée en une tension constante que possible. Il existe plusieurs manières d'arriver, mais la manière la plus simple d'y parvenir est de brancher un condensateur électrolytique (polarisé) en parallèle avec la charge.

La valeur idéale de V_S, V_S = V_max. Pour réduire l'ondulation, il faut augmenter la constante de temps R.C pour qu'elle soit beaucoup plus grande que la période du signal d'entré V₁. Plus le condensateur sera grand, plus V_S se rapprochera de V_max, mais on ne peut pas augmenter indéfiniment le condensateur. Car plus il est grand plus il coûte chère, plus il est encombrant. Il faut donc trouver un juste milieu pour la conception. On choisit souvent une ondulation crête à crête de la tension de sortie, V_S=10%

Les doubleurs de tension

Doubleur de tension demie onde (Schenkel):

V_S = 2V_max
A l'alternance négative D₁ conduit, le condensateur C₁ se charge jusqu'à la valeur V_max.
A l'alternance positive D₁ est bloquée et D₂ conduit, comme V₁ et C₁ se trouvent en série alors le condensateur C₂ va se charger jusqu'à 2V_max. Lorsqu'on connecte la charge R il y'a une petite décharge de C₂ sur R, pendant l'alternance négative qui est sans importance.

Doubleur de Latour ou doubleur Pleine onde:

V_S = 2V_max
A l'alternance positive, D₁ conduit et D₂ est bloquée. Le condensateur C₁ se charge à la valeur V_max.
A l'alternance négative D₂ conduit et D₁ est bloquée, le condensateur C₂ se charge à la valeur V_max d'où V_S=2V_max

La stabilisation et la régulation

La tension issue du filtre a encore une ondulation assez grande, il existe donc des systèmes qui permettent de diminuer le plus possible cette ondulation et rendre la tension de sortie constante.

La diode Zener

Principe et symbolisation

Nous avons vu au chapitre précédent que si la tenson inverse aux bornes d'une diode à jonction est supérieure à V_RRM le courant inverse s'accroît très rapidement. C'est le phénomène de claquage inverse.
On constate que la tension inverse aux bornes de la diode fonctionnant dans cette zone varie très peu d'où l'utilisation de cette partie de la caractéristique pour stabiliser la tension.
Une diode Zener est donc une diode à jonction spécialement conçue pour être utilisée dans la zone de claquage inverse. Son symbole est le suivant:

Elle sera généralement polarisée en inverse dans les circuits mais elle peut aussi fonctionner en direct.

Caractéristiques d la diode Zener

En direct, une diode Zener se comporte comme une diode ordinaire et par conséquent elles ont la même caractéristique. En inverse la diode Zener est équivalente à une source de tension constante V_Z (en réalité U_Z varie très peu). Il faut que E>V_Z si non aucun courant ne passe dans ce circuit.
I_m est l'intensité minimale au-dessous de laquelle la tension Zener n'est plus stabilisée. I_M est l'intensité maximale au-dessus de laquelle on risque une destruction de la diode par échauffement de la diode par échauffement I_m<I_Z<I_M.

Caractéristique de choix

Le constructeur donne généralement deux valeurs:

• La puissance maximale qui peut dissiper la Zener: P_M=V_Z.I_M
• La tension Zener V_Z

Etude des montages à diode Zener

K ouvert calcul de R_P

La valeur limite de R_P qui provoquerait le courant maximal I_M sera:

Etude en charge: K est fermé

Tant que la diode fonctionne dans sa zone de claquage, le courant I_G est constant et on a: I_G=(E-V_Z)/R_P
On a également I_G=I_Z+I_C ↔ I_Z=I_G-I_C
On peut conclure que:

• Le courant I_Z traversant la diode diminue quand I_C augmente. Ce qui arrive quand R_Ch. Ce qui arrive quand R_Ch diminue.
• La diode Zener supporte un courant inverse maximal lorsque la charge est déconnectée (I_C=0) d'où l'intérêt de faire le calcul de R_P quand la charge est déconnecté ou infinie.
• Si I_C est trop élevée ceci entraîne que l'intensité I_Z dans la diode risque d'être inférieur à I_min auquel cas la diode ne stabilise plus.

La condition de bon fonctionnement sera donc: I_C<I_M-I_m avec I_C=V_Z/R_Ch
V_Z/R_Ch < I_M-I_m ↔ V_Z < (I_M-I_m)R_Ch
R_Ch > V_Z/(I_M-I_m)

Si I_m = 5mA
R_Ch > 9/(55,55-5)x10^-3
R_Ch > 178,04 ↔ R_Ch = 220±10% - 0,5W
P_RCh = V²_Z/R_Ch = 81/220 = 0,368W

Diode Zener réelle

Modèle équivalent

Pour simplifier l'approche du problème, nous avons supposé jusqu'ici que la tension inverse restait constante sur toute l'étendue de la région de claquage. Mais en réalité, la tension U_Z augmente quand I_Z augmente. Le modèle équivalent d'une diode Zener est donc le suivant.

Influence de la température

Pour les diodes Zener U_Z<6V la tension Zener V_Z diminue quand la température augmente.
Pour les diodes Zener donc U_Z>6V la tension V_Z augmente quand la température s'élève.
On définie le coefficient de température ßV_Z=_DV_Z/_DT
_DV_Z est la variation de V_Z consécutive à une variation _DT de la température.

Etude des montages stabilisateurs réels

Deux facteurs peuvent influencer la valeur de la tension U_SM en aval du système les variations de la charge R_C.
En amont du système, les variations de la tension E. L'influence de ces facteurs sera étudiée dans les exercices.

 

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Régulation

Régulation à diode Zener et à transistor

Les montages à diode Zener étudié jusqu'à présent réduise considérablement l'ondulation de la tension et ont une borne de stabilisation amont mais la puissance qu’il fournit à la charge est faible (comprise entre 0,3W et 1,3W).

Remarque

Le rendement de l'opération est faible car le transistor ballas T consomme plus de la moitié de la puissance fournie par la source.
La dissipation thermique à ses bornes sera donc importante d'où la nécessité d'adjoindre un radiateur.
On montre que: P_T = (E₀-V_S)P_Ch/V_S
Pour diminuer P_T, il faut réduire l'écart entre E₀ et V_S, mais on ne peut pas réduire indéfiniment cet écart de peur de ne plus stabiliser la tension. Pour cela on est souvent amené à utiliser certains artifices.
Le montage Darlington

NB: ß de T₁ est très grande, petite puissance.
ß de T₂ est très petite, grande puissance.

Les transistors de forte puissance ont un ß faible (ß<20). Les transistors ayant un ß élevé ne peuvent dissiper qu'une faible puissance. Une balance prévue pour une alimentation d'une certaine puissance doit avoir à la fois un ß élevé et une forte dissipation thermique. Le transistor Darlington permet de remplir ces deux conditions.

Calcul de ß:
I_b = I_b1 ; I_C = ßI_B
I_C = ß₂I_b2 + ß₁I_b1
I_b2 = I_e1 → I_b2 = (ß₁+1)I_b1
I_C = I_B2(ß₁+1)I_b1 + ß₁I_b1
I_C = ß₂(ß₁+1)I_b1 + ß₁I_b1
I_C = (ß₂ß₁+ß₂+ß₁)I_b
I_C/I_b = ß = ß₂ß₁ + ß₂ + ß₁
ß = ß₂ß₂

Calcul de h₁₁ = r:
r = V_b0/i_b
V_b0 = r₁i_b1 + r₂i_b2 = r₁i_b1 + r₂i_e1 = r₁i_b1 + r₂(ß₁+1)i_b1 = [r₁ + r₂(ß₁+1)]i_b
r = r₁ + r₂(ß₁+1)

V_BE = V_BE1 + V_BE1 = 1,4V
ß = ß₁ß₂
h₁₁ = r = r₁ + r₂(ß₁+1)

Montage Darlington complémentaire: