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Stabilisation, régulation linéaire

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1/5 : 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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2/5 : Les amplificateurs opérationnels

Fonctionnement de l'AOP

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Amplificateur opérationnel 1 sur 6
Nous allons étudier l'amplificateur opérationnelA l'origine, avant le numétique, on les utilisait pour réaliser des opérations, addition... : + – × / théorique idéalLes réels n'en sont pas si éloignés.... L'écart εe+ e– = ε en Volts entre les entrées e+ et e–Les AOP offrent 2 entrées, une non-inverseuse : e+ et l'autre inverseuse e–.
Nous verrons leur utilité mais l'avantage est qu'elles ne requèrent (généralement) aucune intensité...
offrent une impédance infinie alors que la sortie SS = ε × Gain (intrinsèque ou fixé si des résistances sont présentes, nous le verrons) présente une impédance nulle (en réalité négligeable, quelques centaines d'Ω). Enfin le gain GLe Gain de base est toujours très élevé, de l'ordre de 1 000 000, mais il diminue avec la fréquence de travail.
Dans la plupart des applications, nous le verrons, il est fixé par des résistances...
sera lui aussi quasiment .
Amplificateur opérationnel 2 sur 6
Généralement les AOP supportent mal les rails d'alimentation et on les utilise en alternatif. On les fait donc travailler en ± U d'alimentation, ici ± 15 Volts.
Sur ce schéma, les 2 entrées voient le même référentiel : 0 V. La sortie S est donc égale à 0 × ∞ soit... ?
En effet, ce point est instable, la moindre défaut (intrinsèque à tout composant) va créer un écart ε × '∞' rendant la valeur en sortie totalement imprévisible !
Amplificateur opérationnel 3 sur 6
Lorsque l'écart est positif, ε > 0, quel que soit le potentiel des entrées du moment que e+ > e–Quelques mV suffisent puisque le gain est > à 10^6, 1 000 000...
1 mV × 10^6 = 1 000 Volts, l'AOP étant bien incapable de dépasser +U, ici 15 Volts, la sortie S vaudra +U, ≃ 15 V !
; la sortie S = + U alimentationEn réalité une tension dite de 'déchet" due aux composants internes (transistors) limite Us à U alim – 0.5 à 1 V (ex : +14.5 V). Sauf pour les AOP 'rail to rail' qui sont quasiment capables de rejoindre ± U alimentation !, ici 15 Volts.
Amplificateur opérationnel 4 sur 6
Lorsque l'écart est négatif, ε < 0, quel que soit le potentiel des entrées du moment que e+ < e–Quelques mV suffisent puisque le gain est > à 10^6, 1 000 000...
1 mV × 10^6 = 1 000 Volts, l'AOP étant bien incapable de dépasser –U, ici -15 Volts, la sortie S vaudra –U, ≃ –15 V !
; la sortie S = – U alimentationEn réalité une tension dite de 'déchet" due aux composants internes (transistors) limite Us à –U alim + 0.5 à 2.5 V (ex : –14.5 à –12.5 V au pire). Sauf pour les AOP 'rail to rail' qui sont quasiment capables de rejoindre ± U alimentation !, ici –15 Volts.
Amplificateur opérationnel 5 sur 6
Comme le précisent ces schémas, la symétrisation des alimentation n'est pas obligatoires, simplement les entrées devront être inclues dans les rails d’alimentation (ici 0 à 30 Volts).
La majorité amplificateurs opérationnels n'apprécient pas que leurs entrées sortent des rails d'alimentation !
Amplificateur opérationnel 6 sur 6
Notez que l'utilisation sans référencement (même partiel) des entrées vers la sortie correspond à un montage comparateurLa frontière entre AOP et comparateur est assez ténue, en comparateur, l'AOP ne fait que basculer en mode 'tout ou rien' le gain étant presque ∞. Astuce : imaginez que vous positionnez le COM d'un voltmètre sur e- (qui sert de référence), si la valeur lue : L'écart ε lu est positif : S = +U, sinon S = –U.
En effet le moindre écart est converti en potentiel égal au rail négatif ou positif (Au déchet près, voir datasheet) !




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Principales caractéristiques

Produit gain bande AOPLe produit gain × bande est une caractéristique de base de l'amplificateur opérationnel. Il s'agit du produit entre le gain en boucle ouverte, comme vu précédemment et la bande passante en Hz. La série TL07x ou TL08x offre un produit gain-bande de 3 × 10^6 ou 3 000 000. Comme le montre cet exemple, jusqu'à 1 Hz, le gain maxi est donc de 3 M, il chute à 3 000 pour 1 kHz, 15 pour 200 kHz, et sera inférieur à 1 au dessus de 3 MHz !
Slew-rate AOPLe Slew-rate détermine la vitesse de balayage de l'amplificateur, plus il est efficace, plus la pente est verticale. Ex : TL071 = 13 V par µs, si la sortie doit évoluer de 26 Volts, il faudra 2 µs.
Impédance des entrées, de sortie ; tension d'alimentation... Voici en exemple le datasheet d'un TL081.
Nous avons aussi abordé la capacité à travailler 'rail to railPar défaut, comme ici, la tension de sortie sera supérieure de 0.5 à 2.5 Volts par rapport au négatif, inférieur d'≃ 0.5 V du positif. Les modèles rail to rail sont quasiment capables d'aller jusqu'aux rails d'alimentation !
rail to rail sortie AOP ampli-Op
'.
Et voici le brochage des AOPBrochage simple double quadruple AOP Ampli-Op
+V et –V alimentation, sortie S en vert, entrées e+ e–. Sur le boîtier simple, * orange pour la compensation du gain unitaire
simples, doubles et quadruples en boîtier DIL ou CMS.




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L'amplificateur opérationnel en suiveur

Le suiveur sert principalement d'adaptateur d'impédance.
L'entrée e+ n'absorbe quasiment aucune intensité, son impédance d'entréeDe 1 MΩ pour l'ancêtre, le 741, à plusieurs TΩ pour les FET est très élevée alors que son impédance de sortieGénéralement quelques centaines d'Ohm est faible.
Ainsi la sortie reproduit fidèlement e+ avec le 'punch' nécessaire pour piloter un récepteur sans altérer un capteur sensible haute impédance relié à e+.

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Suiveur AOP étape 1 sur 4
Contre-réaction totale : e– est relié à S (la sortie).
Hypothèse de départ : e+ = 0 V, pour que la sortie S soit stable il faut que ε = 0. Pour que ε = 0 ⇒ e– doit être égal à e+ et donc S doit être égal à e+ ! Donc quand S lié à e– = e+, ε = 0 et 0 × Gain (ex : 3 000 000) = 0 !
Ce montage est stable !
Et (comme nous allons le voir) quel que soit e+ ⇒ S sera égal à e+
AOP Suiveur animation étape 2 sur 4
Si e+ augmente, ε augmente !
AOP Suiveur animation étape 3 sur 4
ε augmentant, la sortie S augmente, comme elle est reliée à e– ; e– augmente forcément aussi réduisant ainsi l'écart ε...
AOP Suiveur animation étape 4 sur 4
Le point d'équilibre ? Quand S (et donc e–) rejoindra e+ ramenant ainsi ε à 0 !
Ainsi, quelle que soit la valeur de e+ (dans la limite des rails d’alimentation), S et donc Us sera égal à Ue (e+) !
D'où le nom de montage suiveur !
Notons bien un risque d'instabilitéLorsque l'inductance du fil de liaison S vers e– retarde plus que le slew-rate de l'AOP, le montage peut devenir instable !AOP : Montages stables et douteux ! certain !




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Amplificateur suiveur

Le suiveur étant vu, essayons d’apporter un gain au signal d'entrée, par exemple amplifier les mV d'un microphone pour piloter un petit haut-parleur...
Nous savons que l'AOP stabilise sa sortie dès que ε = 0, ce quel que soit le potentiel de l'entrée e+...
Donc, dès que e– = e+, la sortie S se fige.
Si on leurrait e– en n'envoyant qu'un fragmentA gauche, 2 résistances identiques en série, cela crée un pont diviseur par 2...
Pont diviseur de tension
de S ?
AOP amplificateur suiveur gain 2

Ci-contre au lieu de relier directement S à e-, nous avons créé un pont diviseur par 2Vous pouvez vérifier avec la loi d'Ohm UR = R × I mais I étant identique dans les 2 résistances, (car I dans e+ est négligeable et donc négligé), on simplifie par I ; UR est donc directement proportionnel à R, les 2 résistances étant identiques, chacune subit la même tension ! constitué de 2 résistances identiques entre S et la référence : la masse (0 Volt).
Le point milieu,
qui est donc égal à S / 2 est relié à e-. La sortie S devra fournir 2 × e+ pour que e- soit égal à e+.
Donc ici S = 3 V pour que e- = e+ = 1.5 V.

On peut aussi écrire :
Us = Ue × [1 + (R1 / R2Attention à bien vous souvenir avec cette formule que R1 est la résistance de contre-réaction, R2 la référente...
AOP amplificateur suiveur
)]
Gain = 1 +Le gain minimal du suiveur est de 1.
Le leurre avec des résistances s'ajoute :
AOP amplificateur suiveur gain 4
Ici Gain = 1 + (30 / 10) = 4 !
(R contre-réaction / R référencement)




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Inverseur à gain variable

AOP inverseur amplificateur

Un autre usage consiste à relier e+ à la masse et le signal à traiter à e– via une résistance. Le gain sera là aussi lié à – (car on entre par l'entrée e–) R1 (contre-réaction) / R2 (référencement) mais sans le +1 car il peut être nul = 0N'oubliez pas la stabilité est vraie si e– = e+, donc e– = 0 et donc quand R1 est remplacé par un fil de 0 Ω, la gain est nul !
Ampli inverseur gain nul
!

Enfin il est possible de faire varier ce gain de 0 à une valeur maximale via un potentiomètreGain = – valeur de P / R2
Amplificateur variable
.
Exemple d'application sur un signal alternatifAmplificateur inverseur à gain variable AOP, pour rattraper le déphasage de 180°, il suffit d'ajouter un second inverseur en série, à la suite...
Gain = – (R contre-réaction / R référencement)

RecommandationIl est recommandé que les 2 entrées d'un AOP 'voient' la même impédance, que l'on soit inverseur ou non inverseur, donc R3 = R1 // à R2...
équilibre impédances d'entrées AOP
technique sur les entrées.




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Intégrateur, passe-bas

AOP intégrateur ou passe-bas
En courant continu ZC l’impédance du condensateur est infinie : le gain = –(∞ / R) ⇒ –∞
A haute fréquence ZC tend vers 0 : gain –(0 / R) ⇒ 0
La fréquence de coupure (gain = –1) est quand ZC ZC = 1 / (C × ω)≡ R

Dérivateur, passe-haut

AOP dérivateur, passe-haut
En courant continu ZC l’impédance du condensateur est infinie : le gain = –(R / ∞) ⇒ 0
A haute fréquence ZC tend vers 0, gain –(R / 0) ⇒ ∞
La fréquence de coupure (gain = –1) est quand ZC ZC = 1 / (C × ω)≡ R




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Indiquez le gain de ce montage et Us :...


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3/5 : Régulation de tension série (linéaire)

Régulateur intégré fixe 7805 5 Volts... et 15 Volts !

Introduction au principe des régulateurs variables par leurre d'un régulateur fixe ! Datasheet série 78xx.




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Utilisation de régulateur sériePour 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)...

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Brochage de régulateurs positifs 7805, 7812, ...
Les régulateurs les plus communs, 78xx et 79xx présentent un brochage différent suivant le type de boîtier et la polaritéMoyen mnémotechnique :
Mnémotechnique pour brochage des régulateurs
Valable pour les boîtiers TO220 : la patte de gauche voit toujours le potentiel le plus haut
(ex : + 14 V en positif et masse pour le négatif). La patte du milieu le potentiel le plus bas : (ex : 0 V en positif et -14 V en négatif).
!
Brochage de régulateurs négatifs 7905, 7912, 7924...
Schéma d'utilisation d'un régulateur
En haut le schéma de base, les condensateurs non polarisés doivent être placés au plus près du régulateurGénéralement de 100 nF, ils évitent tout oscillation (nous le verrons) et assurent un bon découplage.. Les chimiques auront une capacité de quelques dizaines à centaines de µF (suivant I de sortie).
Ci-dessous le principe du régulateur variable : la patte de Masse, (référence) n'est plus relié au 0 V mais à un autre potentielSchéma régulateur variable
Us = UM + UR régulateur dans la limite de (Ue - U déchet) > US
U déchet = Ue minimal (voir datasheet : ex, 6.5 V pour 7805) – Us
On a mesuré ≃ 1.5 V dans la vidéo
(10 V dans la vidéo) ce qui permet au régulateur d'offrir une tension allant de UR à U maxiEx : 7805 peut varier de UR = 5 V à 23.5 Volts (25 V = Ue maxi - 1.5 = déchet minimal)
Le déchet est la tension minimale entre E et S pour le bon fonctionnement : datasheet
Enfin, pour descendre sous U régulateur (5 V pour le 7805) il faut appliquer une tension négative à la masse ; tout simplement ! (-U régulateur au maximum)
.
Principe du régulateur variable
Notez les valeurs : quand Rp (R potentiomètre) = 0, US = UR (régulateur, ex : 5 V)
Quand Rp = 1/2 de R1 // à U régulateur, US = 1.5 × UR (ex : 7.5 V)
Lorsque Rp = R1, US = 2 × UR (ex : 10 V)
Enfin Rp = 2 × R1, US = 3 × UR (ex : 15 V)
. Comment choisir R1P se choisit en fonction de Us maxi désiré et de UR et R1.
Une valeur préconisée de R1 est fournie dans les datasheet de régulateurs variables L200, LM317...
Mais le principe est simple, IM du régulateur (5 mA dans notre vidéo) doit-être négligeable devant I dans R1 pour éviter les fluctuations.
C'est pour cela que les régulateurs variables offrent 2 avantages : UR est faible ≃ 0.5 à 3 V, IM est faible ≪ 5 mA
Utilité du condensateur d'entrée sur régulateur
Le condensateur non polarisé ou tantale soudé au plus proche des pattes E et M fournit Ic l'appel de courant Ie que, de par l'inductance des fils, le générateur avec Ig ne peut fournir...
En sortie, la correction permanente des transistors inclus dans le régulateur peuvent engendrer une oscillation. La capacité non polarisée ou tantale soudée, là aussi au plus près, interdit toute oscillation Régulateur : oscillations tension de sortie sans condensateur
En rouge Us sans condensateur, en vert : Us avec le condensateur
!Utilité du condensateur de sortie sur régulateur
Diodes de protection régulateur charges capacitive et inductive
A gauche, la diode n'est utile qu'en cas de montage flottantLorsque votre module est mobile et relié à un générateur chargé de fournir Ue, celà évite tout risque d'inversion destructrice.
Module alimentation régulée flottante
Pointé à gauche, les bornes bananes d'entrée flottante avec risque d'inversion !
. En haut, la diode qui protège des charges capacitives : Ue est coupé alors que la charge comporte un accu rechargeable ou un condensateur : US risque de dépasser Ue ce que n'apprécie pas du tout le régulateur ! Le diode limite cette valeur négative à U seuil : aucun risque !
enfin à droite protection contre les inversions dues notamment à une décharge inductive (-U self-induction, voir cours sur l'électromagnétisme)
Diodes de protection régulateur entrée volante
Ci dessus une variante à gauche lorsque Ue est faible et que l'on ne peut perdre la tension de seuil d'une diode. En cas d'inversion la diode de gaucheElle se met en cct et fait griller le fusible qui est simplement quelquefois (en TBTS 12 Vcc) la piste du circuit imprimé !
Les autoradios utilisent très fréquemment ce montage pour éviter de perdre ≃ 1 V de seuil et donc de la puissance.
Notez que les dépanner est très simple... Si l'on connaît le truc que l'on vient de voir !
ainsi que le fusible sont à changer.




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Régulateur variable, introduction à la limitation de I


Le L200, régulateur ancestral mais bien pratique et toujours distribué ! Datasheet L200 et du LM317.




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Indiquez la valeur de Us...


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4/5 : Générateur d'intensité constante

Réguler une intensité avec un régulateur de tension


L'alimentation d'une résistance constante via une tension constante engendre une intensité constanteI = U /R ! !




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Applications du générateur d'intensitéImproprement nommés générateurs de courant constant, le courant ne définissant pas une grandeur. Symboles en fin de cours, Conseil+ constante

Les générateurs d'intensité constante offrent bien des usages :
  • Mesure simple de résistances ohmiquesEn injectant une intensité fixe, ex : 1 mA, on va afficher R en mesurant simplement la tension U (U = R × I)
    Ex : 330 Ω × 1 mA = 330 mV ; il suffit alors de remplacer le V par le symbole Ω et le tour est joué !
    Mesure directe de R par I constant
  • Recharges de certains types d'accumulateursLes accus Cd-Ni cadium et Ni-Mh se rechargent sous intensité constante (ne pas dire courant constant) généralement 1/10° de la capacité nominale pendant 12 heures (10 h + les pertes) ex : 60 mA pendant 10 h pour 600 mAh (AA LR06) ou 1 h sous 600 mA en charge rapide...
  • Création d'une rampeComme I × t = C × U ⇒
    U = (I (constant) × t (temps) / C (capacité constante))
    U obtenu est linéaire comme le temps !
    Rampe de charge condensateur sous I constant
    Utilisé pour des alimentations à découpage...
    rectiligne avec un condensateur
  • En industrie : le fameux 4 à 20 mALe 4-20 mA est utilisé pour s'affranchir des résistances dues aux fils, connexions... et pour sa moindre sensibilité aux parasites ! des boucles d'instrumentation
Générateur d'intensité constante
Pour plus d’efficacité, UR : U régulateur doit être choisi le plus faible possible car la limite d'un générateur d'intensité est, comme vu en vidéo, le tension disponible entre violet et noir : R maximum = Ue – U miniU mini tel que renseigné dans le datasheet
Ex : 6.5 V à 7 V pour un 7805
/ I constantI constant = UR / R + I de fonctionnement
Le régulateur consomme un minimum pour fonctionner, valeur I Masse du régulateur disponible en datasheet
choisi.
N'oubliez pas qu'un générateur d'intensité ne fonctionne que du court-circuit à R maximum tel que calculé ci-dessus !




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Indiquez la bonne valeur !...


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5/5 : La correction active d'alimentation, la mesure 3 et 4 fils

Le suivi d'alimentation, la régulation au plus près !

Alimentation avec et sans tracking
Cette alimentation possède des connexions pontées par paire :

En effet, + et sont doublés d'un 'S' pour Sense. Il s'agît là d'un procédé 4 fils.
Avec les ponts en place, la tension programmée, (exemple) 12.50 Volts est garantie en sortie d'alimentation : sur les bornes. Mais si l'on alimente un récepteur assez gourmand en intensité, de par la longueur et la résistance des fils, il ne restera plus que (exemple) 11.15 Volts...
Avec le trackingTracking en anglais = suivi en français
Ou plus justement : correction active
, on utilise 4 fils, (Les 2 'Sense' : S+ et S–), reliés respectivement au plus près du récepteur. Ces fils de mesure, qui n'ont pas besoin d'offrir une section élevée, ramènent la tension du récepteur à l'alimentation qui ajustera alors sa sortie de manière à garantir 12.50 Volts à l'arrivée, en l’occurrence en conservant notre exemple : 12.50 V + (12.50 – 11.15) ≃ 13.85 VoltsEn réalité un peu plus car la tension dans la charge ayant augmentée, l'intensité (I = U / R) augmente aussi, ce qui implique une chute de tension dans les fils légèrement supérieure !




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Le principe de la correction active (le suivi)

Alimentation sans suivi tracking
Les entrées S+ et S– sont directement reliées aux bornes de puissance + et , la tension dans la charge, (comme le précisent les changements de couleur), subit la chute de tension dans les résistances des fils...
Ex : de 12.50 Volts programmés, il ne parvient que 11.10 V à la charge...
Alimentation 4 fils avec suivi, tracking
Avec la correction active, (via de préférence des fils torsadés pour limiter les parasites), l'alimentation reçoit la vraie tension parvenant à la charge sur ses bornes S+ et S–. Afin de garantir la tension de 12.50 Volts sur la charge, la tension entre les sorties + et de l'alimentation augmente jusqu'à un peu plus de 13.95 Volts !




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Suivi coté récepteur : sonde PT100 4 fils

L'illustration ci-dessous nous révèle 2 circuits :
  1. En noir gras le circuit alimenté par le générateur de courantGénérateur d'intensité ou prévoir une alimentation capable de travailler en court-circuit dans la mesure où la résistance à mesurer est faible
    Le montage 4 fils ne se justifie que pour des résistances faibles (inférieures à 20 Ω) ou de grandes distances
    Ou pour de la grande précision : sonde PT100
    Sonde PT100
  2. En gris fin, le circuit de mesure avec le voltmètre.
Mesure 4 fils principe
Pourquoi ne pas mesurer la tension U directement sur le générateur d'intensité et économiser ainsi 2 fils ?
Mesure 2 fils vs mesure 4 fils instrumentationLa résistance des fils acheminant le puissance ne doit pas être négligée, si R à mesurer vaut 1 Ω ; R fil peut engendrer 10% d'erreur (≃ 0.1 Ω par mètre pour du 0.75 mm²)
Par contre la boucle du voltmètre n’achemine quasiment aucune intensitéLa résistance des multimètres en position voltmètre est standardisée à 10 MΩ ; ce quel que soit le calibre et le type de tension (Continue ou alternative). Ainsi pour connaître R à mesurer on applique : R = U / I ; tout simplement !

Notez que même au niveau du raccordement des 4 fils il convient d'être prudent !
La photo ci-dessous représente un shuntRésistance très faible pour mesurer une intensité via la loi d'Ohm.
Ex : 0.001 Ω (1 mΩ) pour mesurer des centaines d'Ampères avec un voltmètre sur le calibre 200 mV : 1 mV = 1 A ; 150 mV = 150 A (150 mV / 0.001 Ω = 150 A)
: notez la position des vis de raccordementLes fils de mesure au plus près de l'élément à contrôler et surtout pas au même endroit que la puissance pour ne pas fausser la mesure à cause des résistances de serrage et de contact !
Les fils noirs : la puissance, les blancs : la boucle de mesure du voltmètre...
Shunt de mesure 100 A
!




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PT100 : 2, 3 ou 4 fils ? La vidéo !


La vidéo permet de constater l'erreur de mesure engendrée par les résistances des fils. Le meilleur moyen de s'en affranchir consiste à utiliser des 'boucles de courant' fournies par un transmetteur (matériel d'instrumentation) dont le rôle est de convertir la résistance de la sonde PT100 en signal standard 4 à 20 mA :
  • 4 mA = extrémité basse de l'échelle (4 mA permet contrairement à 0 de constater une ouverture accidentelle du circuit)
  • 20 mA = extrémité haute de l'échelle (ex plage de mesure 10° C à 30° C : 12 mA = 20° CPlage de mesure = 20° C (30 – 10), le talon est de 10° C
    Plage de lecture = 16 mA (20 – 4), le talon est de 4 mA
    Règle de 3 : 12 mA = 4 (talon de 4 mA) + 1/2 de la plage de lecture
    20° C = 10 (talon de 10°C) + 1/2 de la plage de mesure
    )




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Une variante, la PT100 : 3 fils

Sonde PT100 3 ou 4 fils
NB : Il existe une variante à 3 fils, dans ce cas la chute de tension dans un fils est mesurée et multipliée par 2 avant d'être soustraite tel que ci-dessous :
Schéma PT100 3 fils
R sonde = [U - (2 × u)] / I
Variante la plus utilisée car plus économique (3 fils au lieu de 4), elle impose que les fils soient identiques ce qui est le cas lors de l'utilisation d'un câble !

Les résistances peuvent aussi provenir de... Mauvaises soudures..., on va voir cela !



Vidéos abonnés : filtrage, attention aux filsFiltrage signal redressé : bonnes pratiques !





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Soudure à l'étain d'une douille de sécurité !


Comme vu en vidéo :
  1. Gratter la partie brillante sur-laquelle l'étain n'accroche pas
  2. Mouiller la panne (pointe) du fer à souder
  3. Étamer la borne à souder et le fil
  4. Veiller à bien faire fondre le fil d'étainSoudure douille de sécurité à l'étain
    Le fil ne fond pas sur la panne car ce n'est pas la panne que l'on soude mais bien la lamelle de la douille avec le fil électrique !
    sur les éléments à souder et pas l'inverse !
    (sous peine d'obtenir des soudures sèches) !




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Bien câbler un condensateur de filtrage !...


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Analogie avec la diode Zener !

Analogie hydraulique avec le diode Zener
A l'instar d'un gabarit de hauteur, la Zener offre un gabarit de tension. Toutefois, contrairement au débit de liquide qui peut accélérer le débit pour compenser la surpressionSurtension par rapport à Uz : U Zener, la vitesse électrique étant constante, une résistance en amont, ici en jaune, sert de fuite et dissipera en pertes Joule le surplus de tension par rapport au seuil zener.
Jusqu'à une limite schématisée en rouge : destruction de la résistance et/ou de la diode Zener !

Symboles générateurs de tension

Symboles générateurs de tension E
On utilisera prioritairement le symbole normalisé à gauche :
un cercle avec simplement le fil dans la continuité en interne.
Notez dans les autres représentations, on utilise E qui est réservé aux sources, contrairement à U, au niveau des récepteurs.Symboles autre générateurs
Autres représentations : G1 : tension continue, G2 : alternatif
A1 : accumulateur, A2 : batterie d'accumulateurs

Symboles générateurs d'intensité

Symboles générateurs d'intensité
Là aussi, celui de gauche est normalisé :
un cercle avec cette fois le trait perpendiculaire.

Conseils+, compléments, prérequis :
Zener analogie
Symboles générateurs E et I

Cours connexes recommandés par l'auteur :
Crée le 12 / 06 / 2017, der. màj le 04 / 11 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 224 fois ★★★☆☆
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Gu5835e07c1389f
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