Les régulateurs de tension sont une caractéristique commune à de nombreux circuits pour assurer l’alimentation d’une tension stable et constante aux composants électroniques sensibles. Leur fonctionnement est typique de nombreux circuits analogiques, à savoir l’utilisation judicieuse et élégante du retour d’effet pour ajuster le niveau de sortie au niveau souhaité.
Aperçu du régulateur de tension
Lorsqu'une tension constante et fiable est nécessaire, les régulateurs de tension sont les composants essentiels. Les régulateurs de tension prennent une tension d'entrée et créent une tension de sortie régulée quelle que soit la tension d'entrée à un niveau de tension fixe ou à un niveau de tension réglable (en sélectionnant les bons composants externes). Cette régulation automatique du niveau de tension de sortie est gérée par diverses techniques de rétroaction, certaines aussi simples qu’une diode zener, tandis que d’autres incluent des topologies de rétroaction complexes pouvant améliorer les performances, la fiabilité, l’efficacité et ajouter d’autres caractéristiques le régulateur de tension.
Comment fonctionnent les régulateurs de tension linéaires
Le maintien d'une tension fixe avec une entrée inconnue et potentiellement bruyante (ou pire) nécessite un signal de retour afin de connaître les ajustements nécessaires. Les régulateurs linéaires utilisent un transistor de puissance (BJT ou MOSFET selon le composant utilisé) en tant que résistance variable se comportant comme la première moitié d'un réseau diviseur de tension. La sortie du diviseur de tension est utilisée en tant que retour pour piloter le transistor de puissance de manière appropriée afin de maintenir une tension de sortie constante. Malheureusement, comme le transistor se comporte comme une résistance, il gaspille beaucoup d’énergie en le convertissant en chaleur, souvent en chaleur. La puissance totale convertie en chaleur étant égale à la chute de tension entre la tension d'entrée et la tension de sortie multipliée par le courant fourni, la puissance dissipée peut souvent être très élevée et nécessite de bons dissipateurs thermiques.
Une variante de régulateur linéaire est un régulateur à dérivation, tel qu'une diode Zener. Plutôt que d'agir comme une résistance en série variable comme le fait le régulateur linéaire typique, un régulateur shunt fournit un chemin à la terre permettant à l'excès de tension (et de courant) de circuler. Malheureusement, ce type de régulateur est souvent même moins efficace qu'un régulateur linéaire classique et n’est pratique que si très peu de puissance est nécessaire et fournie.
Comment fonctionnent les régulateurs de tension de commutation
Un régulateur de tension de commutation fonctionne sur un principe totalement différent de celui des régulateurs de tension linéaires. Plutôt que d'agir comme un puits de tension ou de courant pour fournir une sortie constante, un régulateur à commutation stocke de l'énergie à un niveau défini et utilise un retour pour s'assurer que le niveau de charge est maintenu avec une ondulation de tension minimale. Cette technique permet au régulateur de commutation d’être beaucoup plus efficace que le régulateur linéaire en allumant un transistor complètement (avec une résistance minimale) uniquement lorsque le circuit de stockage d’énergie nécessite une rafale d’énergie. Cela réduit la puissance totale perdue dans le système à la résistance du transistor lors de la commutation, car il passe de conductrice (très faible résistance) à non conductrice (très haute résistance) et à d'autres faibles pertes de circuit.
Plus un régulateur de commutation commute rapidement, moins la capacité de stockage d'énergie nécessaire pour maintenir la tension de sortie souhaitée est utilisée, ce qui permet d'utiliser des composants plus petits. Cependant, le coût d'une commutation plus rapide représente une perte d'efficacité, car la transition entre les états conducteur et non conducteur prend plus de temps, ce qui entraîne une perte de puissance plus importante du fait du chauffage résistif.
L'augmentation du bruit électronique généré par le régulateur de commutation est un autre effet secondaire d'une commutation plus rapide. En utilisant différentes techniques de commutation, un régulateur de commutation peut abaisser la tension d'entrée (topologie buck), augmenter la tension (topologie boost) ou les deux abaisser ou augmenter la tension (buck-boost) selon les besoins tout en maintenant la tension de sortie souhaitée ce qui fait des régulateurs de commutation un excellent choix pour de nombreuses applications alimentées par batterie, dans la mesure où ils peuvent augmenter ou augmenter la tension d'entrée de la batterie lorsque celle-ci se décharge. Cela permet à l'électronique de continuer à fonctionner bien au-delà du point auquel la batterie pourrait directement fournir la bonne tension pour que le circuit fonctionne.
