REGULATEURS A TRANSISTORS

T.P. d'Electronique
3ème année
REGULATEURS A TRANSISTORS
Le but de ce TP est d'étudier l’un des 2 types de régulateurs les plus utilisés dans les alimentations
stabilisées: les régulateurs linéaires série et parallèle. Les régulations de type alimentation à découpage
ième
seront vues en 4
année.
1. PRINCIPES THEORIQUES
1.1. Introduction
Une alimentation stabilisée comporte deux éléments distincts:
1°) Un élément redresseur qui fournit une tension continue, plus ou moins stable, à partir de la
tension du secteur.
2°) Un élément stabilisateur de cette tension vis à vis des variations aléatoires du réseau EDF
et des variations de la charge que l'on souhaite alimenter en continu. C'est à l'élément de stabilisation que
l'on s'intéresse dans cette manipulation. Selon les performances que l'on attend de ce stabilisateur, on
choisira :
- une simple diode Zener qui délivre une tension (dite de Zener) pratiquement fixe quel que soit le
courant qui la traverse.
- un régulateur linéaire incorporant une diode Zener. Par rapport à la diode simple, on obtient un
meilleur facteur de stabilité et un courant de charge plus élevé.
- un régulateur à découpage dit abusivement alimentation à découpage bien qu'il n'intègre pas en
général la fonction redresseur.
On ne s’intéressera pas cette année aux régulateurs à découpage.
1.2. LES REGULATEURS LINEAIRES
1.2.1. Présentation
De type parallèle ou série, ils contiennent des composants discrets ou intégrés réalisant 3
fonctions distinctes:
- une tension stable de référence est fournie par une diode Zener.
- un transistor de puissance ballast délivre le courant souhaité (montage série) à la charge. On
peut aussi dériver une partie du courant d'alimentation dans ce transistor (montage shunt).
- un élément comparateur, quelquefois explicite et souvent peu apparent, corrige les variations de
la tension de sortie à l'aide d'une boucle de contre - réaction qui régule le débit du transistor ballast. Cette
opération utilise la tension de référence donnée par la diode Zener.
Dans les régulateurs linéaires, le transistor travaille dans sa zone de fonctionnement linéaire.
1.2.2. Inconvénients des régulateurs linéaires
Considérons l'un quelconque des montages régulateurs série. Le régulateur oblige le transistor à
faire chuter la tension d'entrée Ve à la valeur désirée en sortie Vs; ce faisant, il est amené à dissiper une
puissance Pd = It (Ve – Vs), It étant le courant dans le transistor ballast. Outre l'échauffement souvent
important que cette dissipation entraîne, il faut noter que cette énergie est entièrement perdue. Comme il
est nécessaire, pour une bonne efficacité de la régulation, que V e soit notablement supérieure à Vs, on
conçoit les problèmes que pose la réalisation d'une alimentation linéaire de forte puissance, dont le
rendement reste médiocre. Cet inconvénient lié au rendement se retrouve dans les montages de faibles
puissances dans lesquels Ve provient d'une source autonome (piles, batteries). Toute perte d'énergie
inutile se traduit alors par une réduction d'autonomie.
1.2.3. Schémas des régulateurs
a) Régulateurs parallèles (shunt)
Montage 1 :
Un schéma est donné à la Figure 1. Le courant de base du transistor shunt traverse la diode
Zener et la tension de collecteur s’aligne sur la somme de la tension de Zener de la diode majorée de la
chute de tension Vbe de la jonction émetteur – base du transistor. On peut affirmer que, non seulement la
puissance commandée par la diode est considérablement augmentée, mais encore que les facteurs de
mérite du montage sont, en gros améliorés d’un facteur  ( étant le gain en courant du transistor).
On a tout avantage à remplacer une diode de Zener de puissance par une association diode de
Zener petite puissance – transistor car la résistance dynamique du montage sera divisée par le  du
transistor. Cette configuration, si elle présente pour les faibles charges un assez mauvais rendement,
puisque le courant qui n’est pas absorbé par la charge l’est par le transistor de stabilisation. L’avantage est
de demander à l’alimentation un courant pratiquement constant, de ce fait les variations de la charge
n’influencent pas la tension délivrée par la source si cette dernière présente une résistance interne non
négligeable (Figure 2).
Vs=Vz+Vbe
Figure 1
Figure 2
Autre avantage de ce montage: les études sur la fiabilité des transistors ont montré que la
probabilité de défaut par court-circuit est plus élevée que celle par coupure. Un montage parallèle est donc
favorable à la fiabilité des montages puisque le court-circuit d’un transistor stabilisateur shunt conduira au
défaut d’alimentation du montage et éliminera le danger de panne en cascade par surtension ou
surintensité.
Si le fusible de protection du transformateur placé à la sortie du réseau EDF a été correctement
dimensionné, la surintensité ainsi provoquée en entraînera la fusion. Dans le cas contraire, c’est la
résistance Rs qui jouera peut-être le rôle de fusible – si elle n’a pas été surdimensionnée. Il y’a donc de
grandes chances pour que le transformateur et les diodes d’alimentation sortent indemnes.
Figure 3 :
Il est possible avec le montage
parallèle, d’obtenir des tensions de
sortie supérieures à celle fournie
par la diode de Zener. La base du
transistor est alimentée par un
diviseur de tension R1, R2 et la
diode Zener montée en série avec
l’émetteur du transistor. La tension
de sortie est alors déterminée par le
rapport de ces deux résistances :
Figure 3
Vs = (Vz (R1 + R2) / R2) + …
b) Régulateurs séries
Figure 4
Le transistor auxiliaire est monté en série
avec la source, sa base est portée à un
potentiel fixé par la diode Zener alimentée
directement par la source à travers une
résistance RB.
Le principe est le suivant :
- si Vs augmente, alors Vbe diminue car
Vs=Vs-Vbe. Il s’ensuit que Ib diminue, d’où
Ic=Ib diminue et Is diminue.
Finalement, comme Vs=-RcIs, la tension de
sortie Vs diminue, il y a donc stabilisation ;
la variation de tension à l’entrée est
intégralement ramenée aux bornes du
transistor.
Afin de soulager le transistor série on peut
placer une résistance R1 en parallèle avec
le transistor.
Figure 4
Figure 5 :
On peut également alimenter
la diode Zener par un premier étage
prérégulateur à diode Zener (Figure
5). Dans cette configuration le
transistor est en fait monté en
collecteur commun. La tension de
sortie est égale à la tension de Zener
moins la chute de tension émetteur –
base du transistor : VS = Vz - Vbe
Figure 5
Figure 6
En prélevant la tension de base du transistor aux
bornes d’un potentiomètre placé en parallèle sur la
diode Zener, ce montage permet d’obtenir des
tensions de sortie comprises entre 0V et Vz- Vbe.
D’un bien meilleur rendement aux faibles charges
(puisque le transistor auxiliaire est parcouru par le
même courant que la charge), ce montage
alimenté par une source de résistance interne non
négligeable fournira
une moins bonne
stabilisation en fonction de la charge puisque
les variations de courant dans cette dernière
seront intégralement appliquées à la source.
Figure 6
Par contre, avantage non négligeable, si l’on shunte la diode Zener par un condensateur, la valeur
de ce dernier se trouve multipliée par le  du transistor ce qui améliore considérablement le filtrage.
En contrepartie, les défauts par court-circuit du transistor étant plus probables que ceux par
coupure, un tel défaut entraînera une surtension aux bornes des circuits alimentés ce qui pourra parfois
être cause de pannes, d’autant plus que le courant ne sera pas limité comme dans le montage shunt par la
résistance Rs.
Autre défaut de la configuration série, une plus grande influence de la température:
- Dans le montage shunt le Vbe du transistor s’ajoute à la tension de Zener V z dont les variations
en fonction de la température sont le plus souvent de signe contraire à celles de Vbe (Vz généralement
positif et Vbe toujours négatif). Il en résulte une certaine compensation, surtout si l’on couple
thermiquement ces deux composants sur un même radiateur.
- Dans le montage série, la tension Vbe se retranchant de Vz c’est l’inverse qui se produit : les
variations de ces deux tensions en fonction de la température s’additionnent :
(Vz + Vz) – (Vbe - Vbe) = Vz - VbeVz + Vbe
Si la diode Zener utilisée est à très faible coefficient de température il sera bon de compenser celui
de la jonction base – émetteur du transistor au moyen d’une diode montée en direct avec la Zener (en
pointillé sur la Figure 5).
c) Alimentation régulée avec asservissement explicite
Une alimentation régulée n’est rien d’autre qu’un dispositif d’asservissement dont la Figure 7 rappelle le
synoptique de principe. La tension de sortie Vs est comparée en permanence à une grandeur de
référence Vref. Ce n’est parfois qu’une fraction H.Vs de la tension de sortie qui est comparée à Vref.
Figure 7
De cette comparaison il résulte un signal d’erreur:
 = Vref – H. Vs
qui, après traitement (le plus souvent amplification) est adressé à un organe de réglage chargé
d’effectuer les correction nécessaires pour maintenir la grandeur de sortie aussi semblable que possible à
la grandeur de référence. Dans une alimentation régulée c’est le ou les transistors ballast qui
remplissent ce rôle.
Figure 8 :
Le transistor T1 est l’organe de réglage (ballast) et le
transistor T2 cumule les fonctions d’amplificateur et de
comparaison entre la référence constituée par la diode
Zener Vz montée en série avec son émetteur et la
fraction H. Vs de la tension de sortie prélevée sur le
pont de résistances R2, P, R3 branché en parallèle sur
la sortie.
Le transistor ballast T1 ne laisse passer le courant
nécessaire à la charge que si on lui fournit un certain
courant de base :
IB1 = Ic / h21e
Figure 8
courant qui lui est fourni à partir de la source non régulée à
travers la résistance R1. Toute augmentation de la
tension de sortie Vs se traduira par une augmentation
de la tension d’erreur  appliquée à la base de T 2, d’où
augmentation du courant de collecteur de ce transistor au
détriment du courant de base de T 1 ce qui aura pour
effet de ramener la tension de sortie à une valeur plus
proche de la valeur de référence.
2. TRAVAIL THEORIQUE
Après avoir pris connaissance des montages présentés précédemment, analyser de manière
théorique le comportement des deux circuits suivants en fonction des variations des différents
paramètres qui sont demandés dans la partie expérimentale
Exprimer Vp en fonction de Ve puis Vs en fonction de Ve etc …
3. TRAVAIL EXPERIMENTAL
3.1. REGULATEUR PARALLELE
La maquette de régulateur parallèle utilisé en TP est présentée Figure 9.
ENTREE
+
VE
-
SORTIE
•
820 
•
+
VS
•
2,2K
-
100 330 1,1K 3,3K 12K
P
6,2 V
•

+
10
1,1K
•
-
VZ
• •
•
•
•
•
Figure 9
3.1.1. Mesure de la tension stabilisée en conditions optimales de source et de
charge
On choisira Ve = 40 V, Rc = ∞, pas de variation sinusoïdale de la tension d’entrée (ve=0).
-
Mesurer Vs et la tension Vp sur le point milieu du pont diviseur, ainsi que la tension V z aux
bornes de la diode Zener.
Conclusions (Comparer/théorie) ?
3.1.2. Régulation vis à vis de la source (« ronflement »)
Pour Rc sur la position Rc = ∞, et Ve variant de 0 à 40 V,
-
-
-
Mesurer simultanément la caractéristique de régulation Vs = f(Ve) et la caractéristique de la Zener I z =
f(Vz) que vous tracerez sur deux feuilles différentes.
Expliquer la corrélation existant entre ces deux courbes et la théorie. Commenter précisément
les deux zones des courbes.
Déterminer graphiquement, pour Ve = 40 V, la pente vs/ve de la courbe Vs = f(Ve) (avec vs,
ve : variations de faible amplitude). En déduire le coefficient de régulation  pour la valeur
d'entrée considérée (Ve = 40 V) :  = (ve/Ve )/(vs/Vs)
Pour simuler (autrement que graphiquement) une "ronflette", injecter, en série avec la tension
continue d'entrée Ve = 40 V, une tension sinusoïdale ve d'amplitude environ égale à
300mVrms et de fréquence 1 kHz (ces 300mV seront prélevés au secondaire d'un
transformateur de rapport 1 : 10 (Figure 10)). On vérifiera notamment que ce niveau
d’amplitude au secondaire correspond à une amplitude d’entrée affichée d’émission de 10Vpp
sur le synthé. HP33120A.
Mesurer les valeurs correspondantes Vs et vs en sortie et le coefficient de régulation .
Comparer avec la mesure graphique de .
MODULATION
1 KHZ
+
300 mV
ALIMENTATION
ENTREE
REGULATEUR
Figure 10
3.1.3. Régulation vis à vis des variations de charge
- Tracer (en échelles semi-log.) la caractéristique de charge Vs=f(Rc) pour Ve= 40 V.
- Corréler cette caractéristique avec celle de la diode Zener, préciser la zone de régulation et
expliquer ce qui se passe. Expliquer ce qui se passe.
3.2. REGULATEUR SERIE
Le schéma de la maquette utilisée en TP est donnée Figure 11.
Même travail qu'en 3.1, mais on ne relèvera pas la caractéristique de la Zener.
•
+
•
820ž
VE
10Kž
R1
2,2Kž
-
v

R2
VZ
•
Figure 11
•
•
•
+
-
•
1,1Kž
6,2
•
100ž 330ž 1,1K 3,3K 12K
•
10ž
VS
•
•
•