Circuits électroniques - régulateurs
La prochaine et la dernière étape avant la charge, dans un système d'alimentation électrique, est la partie régulateur. Essayons maintenant de comprendre ce qu'est un régulateur et ce qu'il fait.
La partie de l'électronique qui s'occupe du contrôle et de la conversion de l'énergie électrique peut être appelée Power Electronics. Un régulateur est un dispositif important en matière d'électronique de puissance car il contrôle la puissance de sortie.
Besoin d'un régulateur
Pour qu'une alimentation électrique produise une tension de sortie constante, quelles que soient les variations de tension d'entrée ou les variations de courant de charge, il existe un besoin d'un régulateur de tension.
UNE voltage regulatorest un tel dispositif qui maintient une tension de sortie constante, au lieu de toute sorte de fluctuations de la tension d'entrée appliquée ou de toute variation de courant, tirée par la charge. L'image suivante donne une idée de ce à quoi ressemble un régulateur pratique.
Types de régulateurs
Les régulateurs peuvent être classés en différentes catégories, en fonction de leur fonctionnement et du type de connexion.
Depending upon the type of regulation, les régulateurs sont principalement divisés en deux types, à savoir les régulateurs de ligne et de charge.
Line Regulator - Le régulateur qui régule la tension de sortie pour être constante, malgré les variations de la ligne d'entrée, il est appelé comme Line regulator.
Load Regulator - Le régulateur qui régule la tension de sortie pour être constant, malgré les variations de charge en sortie, il est appelé comme Load regulator.
Depending upon the type of connection, il existe deux types de régulateurs de tension. Elles sont
- Régulateur de tension série
- Régulateur de tension shunt
Leur disposition dans un circuit sera exactement comme dans les figures suivantes.
Jetons un coup d'œil à d'autres types de régulateurs importants.
Régulateur de tension Zener
Un régulateur de tension Zener est un régulateur qui utilise une diode Zener pour réguler la tension de sortie. Nous avons déjà discuté des détails concernant la diode Zener dans le tutoriel BASIC ELECTRONICS.
Lorsque la diode Zener est utilisée dans la panne ou Zener region, la tension à ses bornes est sensiblement constant pour un large change of currentà travers. Cette caractéristique fait de la diode Zener ungood voltage regulator.
La figure suivante montre une image d'un simple régulateur Zener.
La tension d'entrée appliquée $ V_i $ lorsqu'elle est augmentée au-delà de la tension Zener $ V_z $, la diode Zener fonctionne dans la région de claquage et maintient une tension constante à travers la charge. La résistance de limitation série $ R_s $ limite le courant d'entrée.
Fonctionnement du régulateur de tension Zener
La diode Zener maintient la tension à travers elle constante malgré les variations de charge et les fluctuations de tension d'entrée. Nous pouvons donc considérer 4 cas pour comprendre le fonctionnement d'un régulateur de tension Zener.
Case 1- Si le courant de charge $ I_L $ augmente, alors le courant traversant la diode Zener $ I_Z $ diminue afin de maintenir le courant à travers la résistance série $ R_S $ constant. La tension de sortie Vo dépend de la tension d'entrée Vi et de la tension aux bornes de la résistance série $ R_S $.
Ceci peut être écrit comme
$$ V_o = V_ {dans} -IR_ {s} $$
Où $ I $ est constant. Par conséquent, $ V_o $ reste également constant.
Case 2- Si le courant de charge $ I_L $ diminue, alors le courant traversant la diode Zener $ I_Z $ augmente, car le courant de la résistance série $ I_S $ à travers RS reste constant. Bien que le courant $ I_Z $ à travers la diode Zener augmente, il maintient une tension de sortie constante $ V_Z $, ce qui maintient la tension de charge constante.
Case 3- Si la tension d'entrée $ V_i $ augmente, alors le courant $ I_S $ à travers la résistance série RS augmente. Cela augmente la chute de tension aux bornes de la résistance, c'est-à-dire que $ V_S $ augmente. Bien que le courant traversant la diode Zener $ I_Z $ augmente avec cela, la tension aux bornes de la diode Zener $ V_Z $ reste constante, maintenant la tension de charge de sortie constante.
Case 4- Si la tension d'entrée diminue, le courant traversant la résistance série diminue ce qui fait diminuer le courant traversant la diode Zener $ I_Z $. Mais la diode Zener maintient la tension de sortie constante en raison de sa propriété.
Limitations du régulateur de tension Zener
Il existe quelques limitations pour un régulateur de tension Zener. Ils sont -
- Il est moins efficace pour les courants de charge élevés.
- L'impédance Zener affecte légèrement la tension de sortie.
Par conséquent, un régulateur de tension Zener est considéré comme efficace pour les applications basse tension. Passons maintenant en revue les autres types de régulateurs de tension, qui sont fabriqués à l'aide de transistors.
Régulateur de tension série transistor
Ce régulateur a un transistor en série avec le régulateur Zener et les deux en parallèle à la charge. Le transistor fonctionne comme une résistance variable régulant la tension de son émetteur de collecteur afin de maintenir la tension de sortie constante. La figure ci-dessous montre le régulateur de tension série transistor.
Avec les conditions de fonctionnement d'entrée, le courant à travers la base du transistor change. Cela affecte la tension aux bornes de la jonction base-émetteur du transistor $ V_ {BE} $. La tension de sortie est maintenue par la tension Zener $ V_Z $ qui est constante. Comme les deux sont maintenus égaux, tout changement de l'alimentation d'entrée est indiqué par le changement de la tension de base de l'émetteur $ V_ {BE} $.
Par conséquent, la tension de sortie Vo peut être comprise comme
$$ V_O = V_Z + V_ {BE} $$
Fonctionnement du régulateur de tension série transistor
Le fonctionnement d'un régulateur de tension en série doit être pris en compte pour les variations d'entrée et de charge. Si la tension d'entrée est augmentée, la tension de sortie augmente également. Mais cela à son tour fait diminuer la tension aux bornes de la jonction de base du collecteur $ V_ {BE} $, car la tension Zener $ V_Z $ reste constante. La conduction diminue à mesure que la résistance à travers la région de collecteur d'émetteur augmente. Ceci augmente encore la tension aux bornes de la jonction collecteur émetteur VCE, réduisant ainsi la tension de sortie $ V_O $. Ce sera similaire lorsque la tension d'entrée diminue.
Lorsque les changements de charge se produisent, ce qui signifie que si la résistance de la charge diminue, augmentant le courant de charge $ I_L $, la tension de sortie $ V_O $ diminue, augmentant la tension de base de l'émetteur $ V_ {BE} $.
Avec l'augmentation de la tension de base de l'émetteur $ V_ {BE} $, la conduction augmente en réduisant la résistance du collecteur de l'émetteur. Cela augmente à son tour le courant d'entrée qui compense la diminution de la résistance de charge. Ce sera similaire lorsque le courant de charge augmente.
Limitations du régulateur de tension de la série Transistor
Les régulateurs de tension de la série Transistor présentent les limitations suivantes:
- Les tensions $ V_ {BE} $ et $ V_Z $ sont affectées par l'élévation de température.
- Aucune bonne régulation pour les courants élevés n'est possible.
- La dissipation de puissance est élevée.
- La dissipation de puissance est élevée.
- Moins efficace.
Pour minimiser ces limitations, un régulateur shunt à transistor est utilisé.
Régulateur de tension shunt transistor
Un circuit régulateur shunt à transistor est formé en connectant une résistance en série avec l'entrée et un transistor dont la base et le collecteur sont connectés par une diode Zener qui régule, tous deux en parallèle avec la charge. La figure ci-dessous montre le schéma de circuit d'un régulateur shunt à transistor.
Fonctionnement du régulateur de tension shunt transistor
Si la tension d'entrée augmente, les $ V_ {BE} $ et $ V_O $ sont également augmentés. Mais cela se produit au départ. En fait, lorsque $ V_ {in} $ augmente, le $ I_ {in} $ actuel augmente également. Ce courant, lorsqu'il circule à travers RS, provoque une chute de tension $ V_S $ dans la résistance série, qui augmente également avec $ V_ {in} $. Mais cela fait diminuer $ V_o $. Or cette diminution de $ V_o $ compense l'augmentation initiale en la maintenant constante. Par conséquent, $ V_o $ est maintenu constant. Si la tension de sortie diminue à la place, l'inverse se produit.
Si la résistance de charge diminue, il devrait y avoir une diminution de la tension de sortie $ V_o $. Le courant traversant la charge augmente. Cela fait diminuer le courant de base et le courant de collecteur du transistor. La tension aux bornes de la résistance série devient faible, car le courant circule fortement. Le courant d'entrée sera constant.
La tension de sortie qui apparaît sera la différence entre la tension appliquée $ V_i $ et la chute de tension série $ V_s $. Par conséquent, la tension de sortie sera augmentée pour compenser la diminution initiale et donc maintenue constante. L'inverse se produit si la résistance de charge augmente.
Régulateurs IC
Les régulateurs de tension sont désormais disponibles sous la forme de circuits intégrés (CI). Ceux-ci sont appelés en bref régulateurs IC.
Outre la fonctionnalité comme un régulateur normal, un régulateur IC possède des propriétés telles que la compensation thermique, la protection contre les courts-circuits et la protection contre les surtensions qui sont intégrées à l'appareil.
Types de régulateurs IC
Les régulateurs IC peuvent être des types suivants -
- Régulateurs de tension positive fixe
- Régulateurs de tension négative fixes
- Régulateurs de tension réglables
- Régulateurs de tension à double suivi
Parlons-en maintenant en détail.
Régulateur de tension positive fixe
La sortie de ces régulateurs est fixée à une valeur spécifique et les valeurs sont positives, ce qui signifie que la tension de sortie fournie est une tension positive.
La série la plus utilisée est la série 7800 et les circuits intégrés seront comme IC 7806, IC 7812 et IC 7815 etc. qui fournissent respectivement + 6v, + 12v et + 15v comme tensions de sortie. La figure ci-dessous montre l'IC 7810 connecté pour fournir une tension de sortie régulée positive fixe de 10 V.
Dans la figure ci-dessus, le condensateur d'entrée $ C_1 $ est utilisé pour empêcher les oscillations indésirables et le condensateur de sortie $ C_2 $ agit comme un filtre de ligne pour améliorer la réponse transitoire.
Régulateur de tension négative fixe
La sortie de ces régulateurs est fixée à une valeur spécifique et les valeurs sont négatives, ce qui signifie que la tension de sortie fournie est une tension négative.
La série la plus utilisée est la série 7900 et les circuits intégrés seront comme IC 7906, IC 7912 et IC 7915 etc. qui fournissent respectivement -6v, -12v et -15v comme tensions de sortie. La figure ci-dessous montre l'IC 7910 connecté pour fournir une tension de sortie régulée négative fixe de 10 V.
Dans la figure ci-dessus, le condensateur d'entrée $ C_1 $ est utilisé pour empêcher les oscillations indésirables et le condensateur de sortie $ C_2 $ agit comme un filtre de ligne pour améliorer la réponse transitoire.
Régulateurs de tension réglables
Un régulateur de tension réglable a trois bornes IN, OUT et ADJ. Les bornes d'entrée et de sortie sont communes tandis que la borne réglable est pourvue d'une résistance variable qui permet à la sortie de varier dans une large plage.
La figure ci-dessus montre une alimentation non régulée pilotant un régulateur IC réglable LM 317 qui est couramment utilisé. Le LM 317 est un régulateur de tension réglable positif à trois bornes et peut fournir 1,5 A de courant de charge sur une plage de sortie réglable de 1,25 V à 37 V.
Régulateurs de tension à double voie
Un régulateur à double voie est utilisé lorsque des tensions d'alimentation divisées sont nécessaires. Ceux-ci fournissent des tensions de sortie positives et négatives égales. Par exemple, le CI RC4195 fournit des sorties CC de + 15v et -15v. Cela nécessite deux tensions d'entrée non régulées telles que l'entrée positive peut varier de + 18v à + 30v et l'entrée négative peut varier de -18v à -30v.
L'image ci-dessus montre un régulateur IC RC4195 à double suivi. Les régulateurs réglables à double pointage sont également disponibles dont les sorties varient entre deux limites nominales.