Introduction aux régulateurs de tension linéaires : 8 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

Il y a cinq ans, lorsque j'ai commencé avec l'Arduino et le Raspberry Pi, je ne pensais pas trop à l'alimentation, à cette époque l'adaptateur secteur de Raspberry Pi et l'alimentation USB d'Arduino étaient plus que suffisants.

Mais après un certain temps, ma curiosité m'a poussé à envisager d'autres méthodes d'alimentation, et après avoir créé plus de projets, j'ai été obligé de réfléchir à des sources d'alimentation CC différentes et si possible réglables.

Surtout lorsque vous aurez terminé votre conception, vous voudrez certainement créer une version plus permanente de votre projet, et pour cela, vous devrez réfléchir à la manière de l'alimenter.

Dans ce didacticiel, j'expliquerai comment créer votre propre alimentation linéaire avec des régulateurs de tension IC largement utilisés et abordables (LM78XX, LM3XX, PSM-165, etc.). Vous découvrirez leurs fonctionnalités et leur mise en œuvre pour vos propres projets.

Étape 1: Considérations de conception

Niveaux de tension communs

Votre conception peut nécessiter plusieurs niveaux de tension standard:

• 3.3 Volts DC - Il s'agit d'une tension commune utilisée par Raspberry PI et les appareils numériques de faible puissance.
• 5 Volts DC – Il s'agit de la tension standard TTL (Transistor Transistor Logic) utilisée par les appareils numériques.
• 12 Volts DC – utilisé pour les moteurs DC, servo et pas à pas.
• 24/48 Volts DC - largement utilisé dans les projets d'impression CNC et 3D.

Vous devez considérer dans votre conception que les tensions de niveau logique doivent être régulées très précisément. Par exemple, pour les appareils avec une tension TTL, la tension d'alimentation doit être comprise entre 4,75 et 5,25 volts, sinon tout écart de tension entraînera l'arrêt des composants logiques ou même la destruction de vos composants.

Contrairement aux appareils de niveau logique, l'alimentation électrique des moteurs, des LED et d'autres composants électroniques peut varier dans une large mesure. De plus, vous devez tenir compte des exigences actuelles du projet. Les moteurs, en particulier, peuvent faire fluctuer la consommation de courant et vous devez concevoir votre alimentation électrique pour s'adapter au «pire des cas» où chaque moteur fonctionne à pleine capacité.

Vous devez utiliser une approche différente pour la régulation de la tension pour les conceptions à alimentation secteur et à batterie, car les niveaux de tension de la batterie fluctuent au fur et à mesure que la batterie se décharge.

Un autre aspect important de la conception du régulateur de tension est l'efficacité - en particulier dans les projets alimentés par batterie, vous devez réduire les pertes de puissance au minimum.

ATTENTION: Dans la plupart des pays, une personne ne peut pas légalement travailler avec des tensions supérieures à 50V AC sans licence. Toute erreur commise par toute personne travaillant avec une tension mortelle peut entraîner sa propre mort ou celle d'une autre personne. Pour cette raison, je n'expliquerai que la construction de l'alimentation CC avec un niveau de tension inférieur à 60 V CC.

Étape 2: Types de régulateurs de tension

Il existe deux principaux types de régulateurs de tension:

• régulateurs de tension linéaires les plus abordables et les plus simples à utiliser
• des régulateurs de tension à découpage qui sont plus efficaces que les régulateurs de tension linéaires, mais plus chers et nécessitent une conception de circuit plus complexe.

Dans ce tutoriel, nous allons travailler avec des régulateurs de tension linéaires.

Caractéristiques électriques des régulateurs de tension linéaires

La chute de tension dans le régulateur linéaire est proportionnelle à la puissance dissipée du CI, c'est-à-dire à la perte de puissance due à l'effet de chauffage.

Pour la dissipation de puissance dans les régulateurs linéaires, l'équation suivante peut être utilisée:

Puissance = (VInput – VOutput) x I

Le régulateur linéaire L7805 doit dissiper au moins 2 watts s'il délivre une charge de 1 A (chute de tension 2 V fois 1 A).

Avec l'augmentation de la différence de tension entre la tension d'entrée et la tension de sortie, la dissipation de puissance augmente également. Cela signifie, par exemple, qu'une source de 7 volts régulée à 5 volts délivrant 1 ampère dissiperait 2 watts à travers le régulateur linéaire, une source 12 V CC régulée à 5 volts délivrant le même courant dissiperait 5 watts, ce qui rend le régulateur seulement 50 % efficace.

Le prochain paramètre important est la « Résistance thermique » en unités de °C/W (°C par watt).

Ce paramètre indique le nombre de degrés que la puce va chauffer au-dessus de la température de l'air ambiant, pour chaque watt de puissance qu'elle doit dissiper. Multipliez simplement la dissipation de puissance calculée par la résistance thermique et cela vous dira combien ce régulateur linéaire chauffera sous cette quantité de puissance:

Puissance x résistance thermique = température supérieure à la température ambiante

Par exemple un régulateur 7805 a une Résistance Thermique de 50°C/Watt. Cela signifie que si votre régulateur dissipe:

• 1 watt, il chauffera à 50°C
• .2 watts il chauffera à 100°C.

REMARQUE: Pendant la phase de planification du projet, essayez d'estimer le courant requis et de réduire la différence de tension au minimum. Par exemple, le régulateur de tension linéaire 78XX a une chute de tension de 2 V (la tension d'entrée minimale est Vin = 5 + 2 = 7 V CC), vous pouvez donc utiliser une alimentation 7, 5 ou 9 V CC.

Calcul d'efficacité

En considérant que le courant de sortie est égal au courant d'entrée pour un régulateur linéaire, nous obtiendrons une équation simplifiée:

Rendement = Vout / Vin

Par exemple, disons que vous avez 12 V à l'entrée et que vous devez sortir 5 V à 1 A de courant de charge, alors l'efficacité d'un régulateur linéaire ne serait que (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. Cela signifie que seulement 41 % de la puissance de l'entrée est transférée à la sortie, et la puissance restante sera perdue sous forme de chaleur !

Étape 3: Régulateurs linéaires 78XX

Les régulateurs de tension 78XX sont des dispositifs à 3 broches disponibles dans un certain nombre de boîtiers différents, des gros boîtiers de transistors de puissance (T220) aux minuscules dispositifs à montage en surface, il s'agit de régulateurs de tension positifs. Les séries 79XX sont les régulateurs de tension négative équivalents.

La série de régulateurs 78XX fournit des tensions régulées fixes de 5 à 24 V. Les deux derniers chiffres du numéro de référence IC indiquent la tension de sortie de l'appareil. Cela signifie, par exemple, qu'un 7805 est un régulateur positif de 5 volts, un 7812 est un régulateur positif de 12 volts.

Ces régulateurs de tension sont simples - connectez L8705 et quelques condensateurs électrolytiques entre l'entrée et la sortie, et vous construisez un régulateur de tension simple pour les projets Arduino 5 V.

L'étape importante est de vérifier les fiches techniques pour les brochages et les recommandations du fabricant.

Les régulateurs 78XX (positifs) utilisent les brochages suivants:

1. Entrée DC non régulée INPUT Vin
2. RÉFÉRENCE (SOL)
3. OUTPUT - sortie DC régulée Vout

Une chose à noter à propos de la version boîtier TO-220 de ces régulateurs de tension est que le boîtier est électriquement connecté à la broche centrale (broche 2). Sur la série 78XX, cela signifie que le boîtier est mis à la terre.

Ce type de régulateur linéaire a une tension de chute de 2 V, par conséquent, avec une sortie de 5 V à 1 A, vous devez avoir une tension de tête d'au moins 2,5 V CC (c'est-à-dire 5 V + 2,5 V = entrée 7,5 V CC).

Les recommandations du fabricant pour les condensateurs de lissage sont CInput = 0,33 µF et COutput = 0,1 µF, mais la pratique générale est un condensateur de 100 µF sur l'entrée et la sortie C'est une bonne solution pour le pire des cas, et les condensateurs aident à faire face à fluctuations soudaines et transitoires de l'approvisionnement.

Dans le cas où l'alimentation tombe en dessous du seuil de 2 V-, les condensateurs stabiliseront l'alimentation pour éviter que cela ne se produise. Si votre projet n'a pas de tels transitoires, vous pouvez exécuter avec les recommandations du fabricant.

Le circuit régulateur de tension linéaire simple est juste un régulateur de tension L7805 et deux condensateurs, mais nous pouvons mettre à niveau ce circuit pour créer une alimentation plus avancée avec un certain niveau de protection et une indication visuelle.

Si vous souhaitez distribuer votre projet, je suggérerai certainement d'ajouter ces quelques composants supplémentaires afin d'éviter de futurs désagréments avec les clients.

Étape 4: Circuit 7805 amélioré

Vous pouvez d'abord utiliser l'interrupteur pour allumer ou éteindre le circuit.

De plus, vous pouvez placer une diode (D1), câblée en polarisation inverse entre la sortie et l'entrée du régulateur. S'il y a des inductances dans la charge, ou même des condensateurs, une perte d'entrée peut provoquer une tension inverse, ce qui peut détruire le régulateur. La diode contourne ces courants.

Des condensateurs supplémentaires agissent comme une sorte de filtre final. Ils doivent avoir une tension nominale pour la tension de sortie, mais doivent être suffisamment élevés pour s'adapter à l'entrée pour une petite marge de sécurité (par exemple, 16 25 V). Ils dépendent vraiment du type de charge que vous attendez et peuvent être laissés de côté pour une charge DC pure, mais 100 uF pour C1 et C2 et 1 uF pour C4 (et C3) seraient un bon début.

De plus, vous pouvez ajouter la LED et la résistance de limitation de courant appropriée pour fournir un voyant lumineux très utile pour la détection de panne d'alimentation; lorsque le circuit est alimenté, les voyants LED sont allumés, sinon recherchez des défaillances dans votre circuit.

La plupart des régulateurs de tension ont des circuits de protection qui protègent les puces de la surchauffe et s'il fait trop chaud, cela fait chuter la tension de sortie et donc limite le courant de sortie afin que l'appareil ne soit pas détruit par la chaleur. Les régulateurs de tension dans les boîtiers TO-220 ont également un trou de montage pour la fixation du dissipateur thermique, et je suggérerai que vous devriez certainement l'utiliser pour fixer un bon dissipateur thermique industriel.

Étape 5: Plus de puissance à partir de 78XX

La plupart des régulateurs 78XX sont limités à un courant de sortie de 1 à 1,5 A. Si le courant de sortie d'un régulateur IC dépasse sa limite maximale admissible, son transistor de passage interne dissipera une quantité d'énergie supérieure à ce qu'il peut tolérer, ce qui conduira à l'arrêt.

Pour les applications qui nécessitent plus que la limite de courant maximale admissible d'un régulateur, un transistor de passage externe peut être utilisé pour augmenter le courant de sortie. La figure de FAIRCHILD Semiconductor illustre une telle configuration. Ce circuit a la capacité de produire un courant plus élevé (jusqu'à 10 A) vers la charge tout en préservant l'arrêt thermique et la protection contre les courts-circuits du régulateur IC.

Le transistor de puissance BD536 est suggéré par le fabricant.

Étape 6: Régulateurs de tension LDO

Le L7805 est un appareil très simple avec une tension de chute relativement élevée.

Certains régulateurs de tension linéaires, appelés LDO (low-dropout), ont une tension de chute beaucoup plus faible que les 2V du 7805. Par exemple, le LM2937 ou LM2940CT-5.0 a une chute de 0,5V, en conséquence votre circuit d'alimentation ont une efficacité plus élevée, et vous pouvez l'utiliser dans des projets avec alimentation par batterie.

Le différentiel Vin-Vout minimum qu'un régulateur linéaire peut faire fonctionner est appelé la tension de chute. Si la différence entre Vin et Vout tombe en dessous de la tension de décrochage, alors le régulateur est en mode décrochage.

Les régulateurs à faible chute ont une très faible différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie. En particulier, la différence de tension des régulateurs linéaires LM2940CT-5.0 peut atteindre moins de 0,5 volt avant que les appareils « chutent ». Pour un fonctionnement normal, la tension d'entrée doit être supérieure de 0,5 V à la sortie.

Ces régulateurs de tension ont le même facteur de forme T220 que L7805 avec la même disposition - entrée à gauche, masse au milieu et sortie à droite (vu de face). En conséquence, vous pouvez utiliser le même circuit. Les recommandations de fabrication des condensateurs sont CInput = 0,47 µF et COutput = 22 µF.

Un inconvénient majeur est que les régulateurs "à faible chute de tension" sont plus chers (même jusqu'à dix fois) par rapport à la série 7805.

Étape 7: Alimentation LM317 régulée

Le LM317 est un régulateur de tension linéaire positif avec une sortie variable, est capable de fournir un courant de sortie de plus de 1,5 A sur une plage de tension de sortie de 1,2 à 37 V.

. Les deux premières lettres désignent les préférences du fabricant, telles que « LM », signifiant « linéaire monolithique ». C'est un régulateur de tension avec une sortie variable et il est donc très utile dans les situations où vous avez besoin d'une tension non standard. Le format 78xx est un régulateur de tension positive, ou 79xx sont des régulateurs de tension négative, où « xx » représente la tension des appareils.

La plage de tension de sortie est comprise entre 1,2 V et 37 V et peut être utilisée pour alimenter votre Raspberry Pi, Arduino ou DC Motors Shield. Le LM3XX a la même différence de tension d'entrée/sortie que le 78XX – l'entrée doit être d'au moins 2,5 V au-dessus de la tension de sortie.

Comme pour la série de régulateurs 78XX, le LM317 est un dispositif à trois broches. Mais le câblage est légèrement différent.

La principale chose à noter à propos du branchement LM317 est les deux résistances R1 et R2 qui fournissent une tension de référence au régulateur; cette tension de référence détermine la tension de sortie. Vous pouvez calculer ces valeurs de résistance comme suit:

Vout = VREF x (R2/R1) + IAdj x R2

IAdj est généralement de 50 µA et négligeable dans la plupart des applications, et VREF est de 1,25 V – tension de sortie minimale.

Si nous négligeons IAdj alors notre équation peut être simplifiée en

Vout = 1,25 x (1 + R2/R1)

Si nous utilisons R1 240 Ω et R2 avec 1 kΩ, nous obtiendrons une tension de sortie de Vout = 1,25(1+0/240) = 1,25 V.

Lorsque nous tournerons complètement le bouton du potentiomètre dans l'autre sens, nous obtiendrons Vout = 1,25 (1 + 2000/240) = 11,6 V comme tension de sortie.

Si vous avez besoin d'une tension de sortie plus élevée, vous devez remplacer R1 par une résistance de 100 Ω.

Circuit expliqué:

• R1 et R2 sont nécessaires pour régler la tension de sortie. CAdj est recommandé pour améliorer le rejet de l'ondulation. Il empêche l'amplification de l'ondulation lorsque la tension de sortie est ajustée plus haut.
• C1 est recommandé, en particulier si le régulateur n'est pas à proximité immédiate des condensateurs du filtre d'alimentation. Un condensateur céramique ou au tantale de 0,1 µF ou 1 µF fournit une dérivation suffisante pour la plupart des applications, en particulier lorsque des condensateurs de réglage et de sortie sont utilisés.
• C2 améliore la réponse transitoire, mais n'est pas nécessaire pour la stabilité.
• La diode de protection D2 est recommandée si CAdj est utilisé. La diode fournit un chemin de décharge à faible impédance pour empêcher le condensateur de se décharger dans la sortie du régulateur.
• La diode de protection D1 est recommandée si C2 est utilisé. La diode fournit un chemin de décharge à faible impédance pour empêcher le condensateur de se décharger dans la sortie du régulateur.

Étape 8: Résumé

Les régulateurs linéaires sont utiles si:

• L'entrée à la différence de tension de sortie est faible
• Vous avez un faible courant de charge
• Vous avez besoin d'une tension de sortie extrêmement propre
• Vous devez garder le design aussi simple et bon marché que possible.

Par conséquent, non seulement les régulateurs linéaires sont plus faciles à utiliser, mais ils fournissent une tension de sortie beaucoup plus propre par rapport aux régulateurs à découpage, sans ondulation, pointes ou bruit de quelque type que ce soit. En résumé, à moins que la dissipation de puissance ne soit trop élevée ou que vous ayez besoin d'un régulateur élévateur, un régulateur linéaire sera votre meilleure option.