Regulateur-DC-DC

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Introduction

Nous avons rédigé un article de blog "Régulateurs de tension DC-DC pour projets électroniques" il y a quelques temps.

Celui-ci présente un intérêt certain... ainsi donc, nous avons décidé d'adosser un tutoriel Régulateur DC-DC & linéaires pour accompagner ceux concernant les piles et accus.

Les types de régulateurs

Avant de rentrer le vif du sujet, nous allons faire un petit tour des principaux types de régulateur que l'on peut rencontrer sur le marché.

Je n'ai pas pour objectif de faire un tour exhaustif de ce qui existe mais juste de présenter les grandes options.

  • Régulateur DC-DC: c'est clair, les régulateurs DC-DC ont un très haut rendement et ils sont dont très appréciés dans les projets modernes puisqu'il faut éviter de gaspiller l'énergie (en chaleur). Si vous devez économisez vos piles et accus, ne cherchez pas plus loin et optez pour du DC-DC.
  • Régulateurs Linéaires: Cependant, historiquement, les supers régulateurs DC-DC ont étés précédés par des régulateurs linéaires qui offraient des rendements nettement moins bons (voir médiocres dans certains cas). Cela se traduit donc par des pertes sous forme de dégagement de chaleur parfois tellement important qu'il est impératif d'utiliser un dissipateur de chaleur. De nos jours, il n'est plus admis de gaspiller ainsi l'énergie de nos piles et accus (en chaleur).
  • Régulateurs Linéaires Low DropOut: L'industrie à quand même fait des efforts avec les régulateurs linéaires low DropOut. Et limitant la chute de tension dans le régulateur, nous réduisons aussi la dissipation de chaleur... mais cela n'atteint quand même pas l'efficacité des régulateurs DC-DC. Pour information, le Raspberry Pi est passé de régulateurs linéaires Low DropOut à des régulateurs DC-DC.

Les régulateurs linéaires sont encore très répandus et leur mise en oeuvre est rapide et facile. Par conséquent, ce tutoriel qui était purement axé sur les régulateurs DC-DC à connu plusieurs évolutions pour finalement intégrer l'utilisation de régulateurs linéaires.

Le but n'est pas non plus de s'étendre outre mesure sur les régulateurs linéaires, le sujet est suffisamment riche pour remplir plusieurs livres. Il n'empêche qu'il est intéressant de savoir que cela existe et comment les brancher pour l'intégrer rapidement à un projet.

Régulateurs Linéaires

Ces derniers sont généralement facile à mettre en oeuvre et permettent de réguler une tension vers le bas uniquement!

Le plus célèbre (et plus commun) est certainement le L7805 (fiche technique) qui permet d'obtenir une tension de 5V.

Regulateur-DC-DC-LM7805.jpg

Regulateur-DC-DC-LM7805-Montage.jpg
Source: All About Electronic
.

Un régulateur linéaire abaisse la tension en transformant le surplus de tension en chaleur. C'est gênant pour les montages en milieu confiné car la température de l'ensemble s'élève doucement soit jusqu'à ce que le montage grille, soit jusqu'au déclenchement d'une protection thermique. Mais le plus important, c'est que cette dissipation de chaleur est aussi le résultat d'un courant consommer dans votre source d'alimentation. Si vous avez un projet mobile, cela signifie qu'une partie de la puissance de l'accu est utilisé pour chauffer le montage! Tout le monde conviendra que cela n'a aucune utilité.

S'ils rendent d'excellents services, ces régulateurs ont malheureusement de gros défauts.

  1. Savent réguler une tension mais uniquement à la baisse.
  2. La tension Drop Out: Chute de tension minimale provoqué par le régulateur est assez importante.
    On parle d'une chute de tension de l'ordre de 1.5 Volt c'est la moitié de la tension de fonctionnement d'un Rapsberry Pi (3.3v) et supérieur à la tension de fonctionnement d'un Intel Edison (1.1v).
    Il faut donc une tension d'entrée minimale pour assurer la tension en sortie.
  3. La différence de tension entre l'entrée et la sortie ne disparaît pas simplement dans la nature... elle est convertie en chaleur. Bref vous consommez de l'énergie pour obtenir la tension voulue et produire de la chaleur.
  4. Plus la tension d'entrée est grande (par rapport à la tension de sortie voulue) et plus le régulateur produit de la chaleur.
    Il n'est pas rare de devoir équiper le régulateur d'un radiateur.

Bref, qui dit dissipation de chaleur dit aussi mauvais rendement. Ces régulateurs sont utiles mais se retrouvent rarement dans les produits grand public.

Régulateur Linéaire - un composant néanmoins utile

A titre d'exemple, voici un usage type d'un tel régulateur ou la tension d'un bloc pile est transformée en 5V pour alimenter une volée de Servo Moteurs.

Cela évite de faire griller le régulateur de la carte Arduino car son régulateur n'est vraiment pas taillé pour une telle consommation de courant.

Regulateur-DC-DC-LM7805-ArduinoSupport.jpg

Régulateur LD1117

Ce régulateur existe en deux versions: le LD1117 en 3.3V et LD1117 en 5V.

Sa principale caractéristique est de pouvoir réguler un courant de 800mA (0.8A), ce qui représente un courant très important pour la plupart des projets électroniques. Nous avons ajouté ce composant à notre gamme pour pouvoir fournir la tension et le courant nécessaire au bon fonctionnement d'un module WiFi ESP8266 (c'est connu, le WiFi est gourmand en énergie).

Son utilisation nécessitera néanmoins l'utilisation d'un dissipateur de chaleur TO-220.

REG-LIN-LD1117-wiring.jpg

REG-LIN-LD1117-wiring2.jpg

Pour plus d'information, vous pouvez consulter la fiche technique du LD1117.

Régulateur Linéaires Low Drop Out

Présentation générale

Nous l'avons vu justement ci-dessus, les régulateurs linéaires ont une chute de tension interne relativement importante... et qui dit chute de tension dit aussi dissipation de chaleur.

Il est donc intéressant de diminuer cette chute de tension au maximum, c'est là que débarque les régulateur LDO. LDO signifie Low Drop Out que l'on traduira par "faible chute de tension". Vous en conviendrez, difficile de produire une tension de 3.3v à partir de 5v lorsque le régulateur de tension cause déjà une chute de tension de 1.5 volts (voire plus).

Vive donc les régulateur LDO. Ces derniers sont très répandu dans le matériel grand publique. Tout aussi facile à mettre en oeuvre.

Regulateur-DC-DC-Regulateur-LDO.jpg

Bien que les régulateur LDO existe aussi sous le format TO220 (cfr la section ci-avant), vous les trouverez surtout sous la forme de composant SMD/CMS (Composant Monté en Surface) étant donné que nous trouverons surtout ce type de composant dans des produits finis.

Ces régulateurs se monte tout aussi facilement que les régulateur Linéaires standards.

Regulateur-DC-DC-Regulateur-LDO-REG1117.png
Exemple à base d'un régulateur. Source: [www.readymaderc.com readymaderc.com]

Régulateur Low-Drop-Out L4931

Parmi les régulateurs Low Drop Out, il existe le L4931 en 3.3v et L4931 en 5 Volts.

Nous avons un préférence pour ce régulateur à faible perte de ST, le L4931! L'air de rien, ce petit gars est capable d'accepter une tension d'entrée entre 4 et 20V d'une pile ou un adaptateur murale en un tension de 3.3V bien régulée avec une régulation à 2%. Juste parfait pour tout projet électronique! Ce régulateur est dans un package TO-92, capable de délivrer un courant pouvant atteindre 250mA et une protection thermique (par coupure) et limitation de courant (en interne)... bref, des fonctionnalités qui en font un outils bien pratique - ou un matériel judicieux en électronique (c'est comme un marteau, cela fonctionne toujours...)

Ce régulateur a une très faible chute de tension interne (0.4V, chute de tension linéraire), bien meilleure que la série 780X (où la chute de tension est de l'ordre de 2V). Cela signifie que vous devez alimenter le régulateur avec une tension minimale de 3.7V pour obtenur une tension de sortie de 3.3v (correctement régulée). Ce régulateur est souvent utilisé pour obtenir une tension de 3.3v à partir d'une alimentation de 5V ou d'un accu LiPo. Il y a un courant de perte constant de 1mA (qui s'accroit jusqu'à 5mA lorsque vous consommez 250mA). Ce régulateur est donc parfait pour les projets portable où alimentés sur pile.

REG-LIN-L4931-wiring.jpg

REG-LIN-L4931-wiring2.jpg

Voyez également la fiche technique des régulateurs Linéaires Low-Drop-Out L4931 (pdf).

Inconvénient

L’inconvénient principale demeure... il faut une tension d'entrée supérieure à la tension de sortie!

Régulateur Linéaire LDO Ajustable

Je voudrais également terminé cette petite présentation en introduisant également les régulateurs ajustable.

Ce sont des régulateurs de tension dont la tension de sortie peut être ajustée à l'aide d'un potentiomètre (ou d'un pont diviseur de tension réaliser à l'aide de deux résistances).

Regulateur-DC-DC-Regulateur-Adjust.jpg

C'est en autre le cas de notre breakout d'alimentation pour breadboard.

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Crédit: AdaFruit Industries www.adafruit.com

Les régulateurs DC/DC

Regulateur-DC-DC-Intro.jpg

Le régulateur DC-DC est aussi communément appelé régulateur à découpage, DC-to-DC regulator, Switched Mode Power Supply (SMPS) ou switching regulator. Il dissipe beaucoup moins de chaleur pour atteindre le même résultat (la tension régulée). Si vous avez lu la section 'régulateur linéaire' ci-dessus vous savez déjà que son avantage clé est son rendement élevé et par conséquent ses faible perte de chaleur.

Il dispose aussi de protection contre les sur-courants et les surchauffes (chauffer beaucoup moins ne signifie pas "ne pas chauffer"!).

Mais surtout, le régulateur DC-DC dispose également d'autres avantages dont cette capacité surprenante de pouvoir créer des tensions plus élevées! Nous aborderons ces caractéristiques surprenante plus loin dans ce tutoriel (cfr step-up/step-down/boost)

S'il est plus difficile à fabriqué, la mise en oeuvre d'un régulateur DC-DC reste très simple.

Nous n'allons pas nous étendre plus sur ce type de régulateur maintenant... car le sujet est largement abordé dans la section suivante :-)


Tutoriel réalisé/traduit par Meurisse D. pour MCHobby.be

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