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22 mars 2013
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Alimentation stabilisée, régulée, à découpage

partie (2/4)

stabilisateur de tension
à transistor et zener		 série ou parallèle
source de courant stabilisée, les équations
régulateur de tension un véritable asservissement
protection contre les surintensités éviter les méfaits du court-circuit
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stabilisateur de tension à transistor et zener

stabilisateur série


La figure représente le montage stabilisateur série classique.

Si la tension V2 de sortie a tendance à augmenter, puisque Vz est constant il en résulte que VBE va devoir diminuer. La diminution de VBE entraine celle de IB et donc de IC (et par conséquent de I2 dans RC) et donc une réaction ramenant V2 à sa valeur. Bien évidemment ce montage stabilise la tension de sortie V2 mais il ne corrigera pas les dérives du transistor.

Pour calculer les performances dynamiques de ce dispositif nous utilisons le schéma hybride équivalent simplifié suivant.

vbe = h11ib et ic = h21ib

En régime statique V2 = - VBE + VZ + rzIZ soit environ VZ

En dynamique d'où on tire en remplaçant dans la première relation et regroupant les termes il vient:



on remplace alors ib par son expression en fonction de i2 et en ordonnant les termes on obtient



La stabilisation est équivalente à celle obtenue avec une simple zener, mais l'impédance de sortie est très réduite, de plus le courant I2 moyen peut être élevé. Si l'on place un potentiomètre en parallèle sur la zener et qu'on relie alors son point milieu à la base du transistor on dispose d'une tension de sortie V2 stabilisée mais réglable.

stabilisateur parallèle

...

La figure de gauche montre le dispositif et à droite le schéma équivalent. V2 = VZ + VBE si V2 augmente, il en est de même de VBE, d'où une augmentation de IC et donc de I1 ce qui tend à diminuer V2

. on en tire l'expression de ib et celle de i1 d'où en remplaçant l'expression de i2 = f(v2,v1), puis



Par rapport au stabilisateur série on voit que k peut être amélioré, mais ici c'est R qui est en série et traversée par tout le courant d'où une chute de tension notable entre V1 et V2.

source de courant stabilisée

...

IE = (VZ - VBE)/RE soit VZ/RE sensiblement constant et I2 = IE ce montage possède une très grande impédance de sortie (collecteur d'un transistor).

Le schéma équivalent de droite est régi par les équations aux admittances : i2 = y21v1 + y22 v2

i2 = ib + h22(v2 - ve) (1) il faut exprimer ve et ib en fonction de v1 et v2

ve = -h11 ib + rziz + v1

ve = RE (i2 + ib) + v1 (2)

v1 = - RB(ib + iz) - rziz. (3) .Le calcul peut se simplifier si l'on admet raisonnablement que les quantités h22R, rz/RB, h11/RB et rz/RE sont très inférieures à 1. En retranchant l'une de l'autre les deux expressions de ve il vient

iz = [(RE + h11) ib + RE i2] (4) on obtient alors ib à partir de (3) en négligeant rziz dans cette relation et remplaçant iz par (4)

d'où on tire ib. Ensuite on reprend l'expression (2) de ve et on admet que i2 = ic >> ib soit

ve = RE i2 + v1 on peut alors reprendre l'expression (1) de i2 ce qui donne

on regroupe les termes


régulateurs

principe

Ce sont de véritables systèmes asservis que l'on peut schématiser traditionnellement



A chaque instant la sortie, que l'on souhaite constante, est renvoyée via un circuit passif de contre-réaction vers un dispositif effectuant la comparaison (ou la différence) entre la valeur de consigne et la sortie (à un coefficient constant près), l'écart e est alors amplifié fortement et va générer une variation du contrôle de la sortie dont il doit résulter que celle-ci se rapprochera de la valeur voulue. Lorsque l'écart est nul, c'est à dire que la sortie est correcte il n'y a plus variation du contrôle et la sortie reste invariante tant qu'aucune perturbation externe n'intervient.

régulateur de tension


R3 polarise le transistor ballast, R4 alimente la diode zener. Le comparateur est constitué par T1 dont l'état de conduction dépend de l'écart entre VB qui est directement fonction de V2 et VE = VZ



On voit immédiatement que si V2 augmente VBE va augmenter aussi et par conséquent la chute de tension dans T1 va diminuer, d'où une diminution du potentiel en B2 ce qui entraine la diminution de IB2. Il en résulte une augmentation de VBC et donc de VCE du transistor 2 ce qui a pour conséquence de réduire V2.

Remarque : en pratique on préférera mettre la résistance R4 après le transistor ballast, car le plus souvent la tension V1 provient d'un pont redresseur associé à un condensateur et est donc légèrement ondulée, d'où il résulte une fluctuation de VZ. En plaçant R4 après le transistor ballast T2 on améliore la stabilité de VZ et donc de l'ensemble.

montages à ampli_op

Plutôt que d'utiliser des transistors, on peut préférer exploiter les caractéristiques supérieures d'un ampli opérationnel (grande impédance d'entrée, gain élevé, faible impédance de sortie)

...

si l'on souhaite pouvoir fournir une assez forte puissance on rajoutera un transistor de puissance dans la boucle de réaction.



Et si l'on souhaite obtenir une tension intermédiaire (par exemple un point milieu) on rajoutera en cascade un étage suiveur supplémentaire sur V2.

Protection contre les surintensités

Si une alimentation débite brusquement sur un court-circuit le transistor de puissance en ballast a toutes les chances d'être détruit. Afin d'éviter cet incident fâcheux on va utiliser un dispositif de protection tel celui figuré en rose sur le schéma suivant.



La tension VBE du transistor T3 est sensiblement proportionnelle au courant traversant la résistance R. Or celle-ci est traversée par le courant I2 (on néglige le courant dans le pont de résistances R1/R2 et dans le transistor T1 ce qui est justifié) c'est à dire celui débité par l'alimentation sur la charge (en jaune sur la figure). VBE3 = RI2

On va choisir R la plus faible possible mais telle que T3 soit bloqué tant que I2 < Imax admissible dans T2. Dès que I2 dépasse cette limite le conducteur T3 devient conducteur et le transistor T2 en ballast voit alors sa tension VBE2 décroître. Il en résulte automatiquement une diminution de I2 ce qui évite la destruction du transistor de puissance T2.

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