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Régulateur de tension

Voici l'article paru dans Mégahertz magazine:
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1.1 Présentation:

Un régulateur de tension est un circuit intégré. Son rôle est celui d’une source de tension. A savoir qu’il doit fournir une tension constante pour n’importe quel courant de sortie, ou n’importe quelle charge. Bien sûr cela n’est vrai que pour un régulateur idéal.

Symbole regulateur ideal

Ils permettent la conception rapide d’alimentations abordables. Ces composants étant très souvent utilisés dans l’industrie électronique, leur prix est assez bas. La tension à sa sortie peut être fixe (cas des 7812, 7805 etc…) ou ajustable (LM317 etc.). Elle peut aussi bien être positive, que négative. Pour les régulateurs à tension fixe les tensions les plus courantes sont : -15V,-12V,-5V, 3.3V, 5V, 8V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V etc.

1.2 Etude interne :

Voici schématiquement la composition interne d’un régulateur de tension :

Schema interne d'un regulateur de tension

Principe


La tension de sortie Vout est comparée (bloc comparateur) à une tension de référence Vref, par la boucle de contre réaction représentée en rouge sur la figure, via un pont diviseur résistif.
La source de courant permet de polariser l’étage « transistor ballast » grâce à la tension issue du comparateur.
On oublie souvent la présence de cette contre réaction à l’intérieur du composant. Et certaines oscillations deviennent alors incompréhensibles. On ne s’attend pas à ce qu’un régulateur de tension, dont le but est de fournir une tension fixe, puisse osciller. Et pourtant c’est bien le cas, notamment pour les régulateurs LDO (voir section suivante).
Etudions cette boucle de contre réaction :

Caracteristique regulateur de tension

Nous rappelons brièvement que ce diagramme de Bode permet la visualisation du gain et de la phase de la boucle en fonction de la fréquence. Ici la fréquence est placée sur l’axe des abscisses à l’aide d’une échelle logarithmique.
Un pôle est un point du diagramme où la courbe du gain change de -20dB par décade. Un pôle ajoute -90° de décalage à la phase.
Un zéro est un point du diagramme où la courbe du gain change de +20dB par décade. Un zéro ajoute +90° de décalage à la phase.
Ces deux notions sont additives : un pôle suivi d’un zéro donnera une pente de gain de 0dB par décade.
Par définition, la marge de phase est donnée à la fréquence où le gain est de 0dB (gain unité). Cette fréquence est aussi appelée bande passante de la boucle
La marge de phase permet de déterminer si la boucle est stable ou instable. Elle est présentée comme ceci :
Marge de phase =Phase(fréquence(G=0dB))-(-180°)
On considère que la boucle est stable si la marge de phase est supérieure à 20° environ.

La figure précédente montre le diagramme de Bode d’un régulateur NPN. La marge de phase est à peu près de 70° ce qui est très stable.

Jetons un coup d'oeil au régulateur susceptible d’osciller : les régulateurs LDO.

1.3 Régulateur LDO :

LDO veut dire en anglais : Low Dropout. Ce sont des régulateurs dont la tension de déchet entre l’entrée et la sortie est très faible. Ils sont très pratiques lorsque la tension à fournir est proche de la tension générale. Certains régulateurs LDO peuvent avoir une tension de déchet théorique entre 10 et 20mV, avec une charge demandant un courant faible.

La différence avec les régulateurs classiques se situe au niveau du transistor « Ballast ». Dans les régulateurs classiques, ce bloc est composé de transistors montés Darlington. La tension de déchet typique, pour un régulateur NPN est donnée par :
Vd=Vsat+2Vbe.

Dans un LDO, le transistor de « ballast » est uniquement composé d’un simple transistor PNP. La tension de déchet est alors de :
Vd= Vsat

La structure interne en émetteur commun possède une impédance de sortie plus importante que pour les régulateurs classiques. Cela entraîne un pôle supplémentaire dépendant de l’impédance de la charge.

Si nous traçons le diagramme de Bode d’un régulateur LDO chargé par une capacité idéale de 10µF et une charge de sortie de 100 Ohm, nous obtenons :

diagramme de bode regulateur LDO

Exemple de diagramme de Bode d’un régulateur LDO


Sur cet exemple nous voyons l’apparition d’un pôle P0. Nous voyons aussi que la marge de phase est très faible. Ce régulateur n’est pas stable, il oscille.

Il existe bien sûr un moyen de lutter contre ce phénomène. Il consiste à insérer un zéro dans le diagramme de Bode. Cela équivaut à insérer une résistance série avec le condensateur de sortie.
Pour insérer ce zéro nous pouvons utiliser la résistance interne de la capacité, son RSE (en anglais ESR) : sa résistance série équivalente.

Symbole resistance serie equivalente RSE

RSE d’une capacité


La fréquence du zéro obtenu sera alors de :

Formule frequence

R est la RSE du condensateur.
C sa capacité.

Prenons l’exemple précédent et plaçons un condensateur tantale de capacité 10µF avec une RSE de 1 Ohm.

diagramme bode LDO stabilisé

Diagramme de Bode d’un régulateur LDO stabilisé à l’aide de la RSE du condensateur


On remarque dans la figure précédente l’apparition d’un zéro aux alentours des 15kHz. La marge de phase augmente à la fréquence où le gain est égal à 0dB. Elle est proche de 90°. On a stabilisé notre régulateur.

On montre assez simplement qu’il existe une condition sur la RSE pour que le régulateur fonctionne bien. Sans trop rentrer dans les détails, la RSE ne doit être ni trop faible (cas précédent) ni trop forte (on décale ainsi trop la fréquence du zéro inséré). Il existe donc deux limites de résistances qui déterminent une plage de fonctionnement.
Ces valeurs sont données dans les descriptifs du constructeur du régulateur sous cette forme :

Zone de stabilité regulateur LDO

Exemple de zone de stabilité d’un régulateur LDO


Notons que les condensateurs au tantale offrent souvent un bon compromis entre capacité et RSE, contrairement aux condensateurs céramiques de grosse capacités (> à 1 µF) qui peuvent avoir une RSE très faible (< à 20m?), et qui rendent le circuit instable. Dans ce cas, il est indispensable de rajouter une résistance en série avec le condensateur.

En conclusion : les régulateurs LDO sont pratiques avec leur faible tension de déchet, mais nécessitent une étude particulière, notamment sur l’impédance de leur sortie.

1.4 Régulateurs « quasi LDO » :

Nous ne rentrerons pas trop dans la description de ces régulateurs. L’essentiel est de savoir qu’ils existent, et qu’ils offrent un compromis intéressant entre le régulateur linéaire classique et le régulateur LDO. L’étage « ballast » est composé de 2 transistors uniquement, ce qui le situe à mi chemin entre les deux structures que nous avons décrites.
Leur tension de déchet est donnée par :
Vd=Vsat+Vbe.

1.5 Protections diverses :

Certains possèdent des protections thermiques : quand la température du boîtier devient trop importante, le courant de sortie diminue, afin de protéger le composant.

Il existe aussi des protections contre les courts circuits (limitation en courant). Pour cela une résistance série est insérée sur la ligne, avant le transistor « ballast » (interne au régulateur). On mesure la valeur du courant la traversant par la tension à ses bornes. Au-delà d’une limite fixée sur un comparateur, on intervient directement sur la polarisation du transistor « Ballast » par la source de courant. La tension de sortie est alors écroulée.
Cette protection possède un temps de réaction non nul. Pour des appels de courant rapides et importants, le temps de mise en route de la protection peut ne pas être suffisant.

Les régulateurs de tension linéaires: datasheet>>