Les alimentations linéaires
Les alimentations linéaires
Introduction
Il existe deux grandes familles d'alimentations :
Les alimentations linéaires
Les alimentations à découpage
Les alimentations linéaires sont réputées pour avoir une tension stable et propre (tension continue).
Regardons de plus près le principe de ces alimentations.
L'objectif
On souhaite transformer une tension sinusoïdale [1] en une tension continue, stable et régulée.
Le choix du transformateur
Pour notre circuit, nous devons connaître la tension finale en sortie de notre alimentation.
Au vue des composants demandés (régulateurs, pont de diode), il faudra une tension efficace de $12V$ [2]
Le rapport des bobines de notre transformateur sera donc au minimum de 19.
Cela veut dire que pour 19 enroulements dans
la bobine primaire, il en faudra une seule dans la bobine secondaire.
La puissance demandée pour le transformateur n'est pas critique, la puissance absorbée par le circuit en aval est négligeable.
Notre transformateur va donc abaisser la tension du secteur en une tension plus faible.
Le pont redresseur de tension
Principe
Notre objectif est maintenant de supprimer la composante négative de notre signal. Pour cela, on va utiliser la propriété des diodes qui ont la faculté de laisser passer le courant dans un seul sens.Un montage existant est le Pont de Graetz.
Observons le résultat lorsque nous mettons notre tension de sortie du transformateur sur notre entrée de pont.
On constate que la tension de sortie est plus élevée que notre tension d'entrée.
Cette valeur s'explique par les diodes.
En sortie, nous voulons une tension de $15V$. Or, les $12V$ en entrée de notre pont sont une valeur efficace, ce qui veut dire
que la valeur réelle vaut $17.04V$
Or, à chaque changement de polarité dans notre pont (signal alternatif [positif et négatif]), le courant passe à travers
deux diodes.
Chaque diode engendre une chute de tension de $0.7V$, d'où une perte de $1.4V$ en sortie.
Nous avons comme tension finale en sortie de pont:
$$V_{s} = V_{efficace}\cdot \sqrt{2} - 0.7\cdot 2 = 12\cdot 1.41 -1.4 = 15.64 V$$
Un exemple de boîtier
La plupart des boîtiers possèdent 4 broches
deux broches $V_{~}$ pour la tension alternative
Une broche $V_-$ pour la masse du circuit en aval
Une broche $V_+$ pour la tension positive du circuit en aval
Les condensateurs
Principe
Comme vu à la section précédente, notre signal n'est pas continu et possède des oscillations élevées. Nous cherchons à produire une tension continue.Pour cela, nous allons utiliser des condensateurs.
Leur rôle sera d'accumuler de l'énergie lorsque le signal monte en amplitude et de restituer cette énergie lorsque le signal sera sur sa phase descendante.
Choix de la valeur
Plus la valeur du condensateur est élevée, plus notre signal sera lisse en sortie, ce qui est l'effet recherché.En effet, la capacité du condensateur exprime la quantité d'énergie emmagasinée dans le condensateur.
Un condensateur de $1mF$ et plus est une valeur normale.
Une fois notre tension assez propre (même si elle présente des oscillations), nous allons utiliser les régulateurs de tensions.
Les Régulateurs de tension
Principe et branchements
Ces composants à trois broches servent à stabiliser une tension pseudo-continue en une tension continue et stable, c'est à dire ne présentant pas d'oscillations.Le branchement est le suivant :
L'entrée INPUT est la tension à réguler
La broche GROUND est la masse du circuit
la sortie OUTPUT est la tension régulée (stable)
Les familles des régulateurs
Il existe différentes familles de régulateurs linaires, les plus connus étant les LM78XX [3] ou les LM317 qui sont des régulateurs de tension réglables.
Pour des tensions négatives, se référer à la famille des LM79XX.
Pour que ces composants fonctionnent correctement, il convient de leur mettre en entrée une tension supérieure à leur tension de régulation.
Concrètement, si on utilise un LM7812 (régulateur 12 V), il faudra mettre en entrée au moins 15 V pour que le composant fonctionne dans la plage idéale.
Cette tension de $15V$ justifie la valeur de tension du transformateur.
Ces composants sont linéaires, c'est à dire que la différence de tension entre l'entrée et la sortie ($V_{e}-V_s$)
engendre une perte de puissance dans le système.
Cette perte dépend directement du courant absorbé par le circuit en aval mais également de la différence de tension $(V_e-V_s)$.
Cette puissance vaut : $$ P_{perdue} =(V_e-V_s)\cdot I_{charge} ~~~~(W)$$
Un exemple
On souhaite réguler un circuit en 12V, ce dernier consommant 150 mA ($I_{charge}$).
La perte d'énergie vaut $$ P_{perdue} =(V_e-V_s)\cdot I_{charge} =(15-12)\cdot 0.150 = 0.45 W$$