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La zener : début de stabilisation

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Introduction à la stabilisation et régulation série (linéaire)

Pourquoi stabiliser ?

Tous les appareils numériquesCarte à µ-processeur, contrairement à l'électronique analogique (opto-coupleurs entrée automate, ampli-op...), l'électronique numérique requière une tension fixe.
Voir aussi cours sur le filtrage et lissage lié en fin
, (sauf rares exceptions), requièrent une tension fixeDe < à ± 1% à ± 5% pour les vieux 'TTL'
Meilleure tolérance pour les circuits linéaires ou CMOS qui toutefois, ne supportent pas les variations brutales requérant donc un parfait lissage, condensateur de découplage en //
et surtout parfaitement lisse pour fonctionner correctement !
Les piles et accumulations conviennent généralement car leur tension est absolument lisseLes violents appels d'intensité peuvent créer des variations de tension mais les condensateurs en parallèle (de découplage) annihilent les éventuelles conséquences. Seules les cartes électroniques numériques les plus sensibles peuvent ne pas apprécier cette tension qui évolue± 20% pour les plus 'mauvaises' technologies (plomb...)
A ± 10%, cette évolution étant de toute façon très lente, (quelques heures, jours ou mois), elle n'engendre généralement pas d'aléas
au fil de la décharge. Enfin on parle de série car le composant agît comme une résistance série variant automatiquementPour maintenir une tension constante en sortie, l'élément stabilisateur agît comme une résistance capable d'évoluer en permanence afin de s'adapter à I en sortie pour maintenir U sortie constant :
Stabilisation, régulation série
L'inconvénient apparaît déjà : tout ce qui ne va pas à la charge est perdu (Joule)...
.

Basique : la stabilisation par ZenerLa diode Zener s'utilise en sens inverse : courant de la cathode vers l'anode.
Alors qu'une diode classique reste isolante jusqu'à sa tension de claquage, la zener devient brutalement conductrice à partir d'un seuil : sa tension Zener.
Il existe des diodes Zener d'≃ 2 à plus de 100 Volts

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Zener 22 V 5 W, 10 V 1.3 W 0.4 W
De haut en bas : Zener 5 Watts 22 Volts, 1.3 W 10 V et 0.5 W 15 V. La valeur est généralement notée en clair bien que souvent peu lisible. L'intensité maximale Iz maxi = Pz / Uz ; exemple avec celle du milieu :
1.3 W / 10 V = 1.3 Ampères. En pratique on fait en sorte de régler Iz usage ≃ Iz maxi / 3Iz maxi n'est possible que jonction maintenue à 25 °C, (voir cours lié en fin sur Actifs discrets pour la dissipation).
A l'autre extrémité en dessous d'Iz maxi / 10 à Iz / 20 : La Zener se situe dans son coude de conduction (en orange ici) et la tension n'est pas très précise...
Courbes diode Zener
.
Courbes diode Zener
La courbe d'une diode Zener.
En vert en bas à gauche : Uz stabilisé qui reste incliné à moins de 90° à cause de la résistance interne de toute diode. En orange le coude du début de conduction, partie non correctement stabilisée, pour l'éviter on maintiendra Iz > Iz maxi / 10.
En gris : aucune conduction et donc aucune stabilisation.
En bleu à droite enfin, la partie diode 'standard'. La Zener étant plus onéreuse, on évite de l'utiliser ainsi.
Zener avant stabilisation
Le schéma minimal inclut donc une résistance qui limitera Iz ≃ Iz maxi / 3. C'est d’ailleurs le défaut majeur de cette stabilisation : Is est limité par cette résistance. On ne peut réaliser d'alimentation avec une Zener, elle sert uniquement de référence de tensionPour des applications exigeantes, il existe des circuits 'référence de tension' bien plus précis que les Zener (zener : généralement ± 5%).
Notez qu'ici point de stabilisation : Ue < Uz !
Zener limite début de stabilisation
La tension Ue est ic iencore inférieure à Uz, la tension Zener de 5 Volts. Us n'est toujours pas stabilisé...
Zener stabilisée
Dès que Ue > Uz, Us est stabilisé et Ie = Is + Iz.
Là encore on s'aperçoit que Is maxi est très faible, généralement équivalent à Iz... Pour ceux qui souhaitent, voici le calcul de RIl n'y a pas une valeur de R mais 2 limites :

R mini = (Ue maxi - Uz) / Iz maxi (Iz maxi réel / 1.5 (sécurité))
R maxi = (Ue mini - Uz) / (Is maxi + Iz mini (Iz maxi / 10))

R mini < R à choisir < R maxi
Suivant Is, R mini risque d'être > R maxi : montage impossible sans, nous le verrons, amplification de I
.

Datasheet d'une Zener. Voir l'analogie hydraulique.




Zoom sur cet élément

La condition de départ : Ue > Us !

La stabilisation ou régulationRégulation implique une stabilisation suivie d'un contrôle, par contre-réaction, pour comparaison de tension intervient généralement après un redressement du courant alternatif. Le plus souvent encore, (appareils reliés sur des prises monophasées) ce signal est redressé double alternance comme représenté dans les 2 animations ci-dessous :
  • En pointillés bleus : Ue la tension d'entrée
  • En vert : Us la tension stabilisée recherchée
  • En orange : Us lorsque Ue, trop faible, fait échour la stabilisation ...
Stabilisation impossible : Us < Ue !
De toute évidence, la stabilisation du signal ci-dessus est impossible puisque la tension Ue en pointillés bleus est quelquefois inférieure à la tension recherchée Us en vert...
Stabilisation correcte : Us > Ue !
Ici, ce n'est qu'à la première mise sous tension, (pendant une fraction de seconde), qu'il n'y aura pas encore stabilisation. Après, Ue étant toujours > Us espéré ⇒ la stabilisation sera toujours efficace !




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Stabiliser avec transistor, réguler avec AOP

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Stabilisation Zener et transistor
La Zener est alimentée via RLa valeur à choisir doit assurer en fonction de Ue mini et maxi pour garantir :
(IZ maxi / 10) < Iz ≪ IZ maxi
. Us = UZ - VbeTension entre base et émetteur : 0.6 à 1 V pour un bipolaire classique, jusqu'à ≃ 2 V pour un Darlington (2 seuils). Is maxiDans la limite aussi de l'intensité maximale supportée par le transistor = IZ × βGain du transistor, détails :
Intensités dans stabilisation NPN et zener
.
Attention à la dissipation thermique du transistor !
Notez que Us est relativement stable une fois passé le coude des jonctionsComme représenté sur cette animation, le coude représente 1 seuil à 2 (Darlington comme ici) qui le composent. Ainsi, si l'objectif est de réaliser une alimentation 10 V, on choisira une Zener 11.5 V et on reliera un voyant LED afin qu'il consomme une intensité suffisante (≃ 20 mA) pour dépasser l'intensité de ce coude !
réguler zener npn aop
L'amplificateur opérationnel est utilisé en proportionnel pur, de gain quasiment infini ! Ce montage requière des liaisons très courtes et un bon découplage capacitifLes condensateurs non polarisés peuvent valoir quelques centaines de nFarad, sachant que le 100 nF est le condensateur fétiche de tout électronicien :D.
régulation AOP Zener npn découplée
Enfin, les chimiques vaudront quelques dizaines à centaines de µF alors qu'il ne faut pas oublier les condensateurs entre l'alimentation et la masse de l'ampli-op
(schématisés par le condensateur au milieu du circuit)
pour ne pas osciller.
Pour le fonctionnement, comme vu dans ce cours, l'ampliOp augmente sa sortie jusqu'à ce que e+ = e– pour ε = 0. Ainsi La sortie de l'AOP sera égale à Us + le coude (jusqu'à ≃ 2 Volts). On peut parler de régulationStabiliser n'implique pas de vérifier et corriger.
Régulation ici par comparaison, (grâce à l'AOP en contre-réaction totale), entre la consigne et la sortie :
Ici avec un ampli-opérationnel monté en comparateur.
.
Tension négative stabilise et régulée
Ces montages révèlent comment sont réalisées des alimentations négatives (Ex : – 10 V) afin de réaliser des alimentations symétriques :
± X Volts.
Le schémas sont similaires, le PNP remplace le NPN (Darlington ou pas).


Les régulateurs intégrés

Dans un seul boîtier, dont la principale référence est le TO220A gauche T03 jusqu'à 3 A, TO220 ≃ 1.5 A, et enfin pour les 'L' Low : 0.15 A
TO3, TO220 et petit boîtier L
, le régulateur intégré regroupe référence (Zener améliorée), transistors de pilotage, régulation et puissance ainsi que des protections : thermique Attention : sans dissipateur et donc sans intertie thermique, elle interviendra probablement trop tard !et court-circuit.




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Choisissez l’élément requérant une tension sta...


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Crée le 12 / 06 / 2017, der. màj le 01 / 07 / 2018 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 4386 fois
Difficulté : ★★★★☆
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