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Sep 02, 2023

Qu'est-ce qu'un régulateur de tension de commutation ?

Générer des tensions stables capables de générer des quantités importantes de courant est l’une des tâches fondamentales de la conception électronique. Un modèle de base pour un circuit électronique basse tension va quelque chose

Générer des tensions stables capables de générer des quantités importantes de courant est l’une des tâches fondamentales de la conception électronique. Un modèle de base pour un circuit électronique basse tension ressemble à ceci :

Il existe différentes manières d'y parvenir. Lorsque j'ai commencé à concevoir des circuits, j'ai utilisé des régulateurs de tension linéaires, tels que le vénérable 7805, autant que possible. De nos jours, cependant, il est impossible de nier que les régulateurs à découpage constituent souvent la méthode supérieure et, d’après mon expérience, ils constituent généralement la méthode supérieure.

Dans cet article, nous discuterons de la nomenclature, puis explorerons les principes de base de la régulation de commutation.

« Régulateur (de tension) à découpage » est peut-être le terme le plus courant et le plus reconnaissable pour désigner cette classe de circuit. Cependant, vous verrez également diverses combinaisons des termes suivants :

En fait, je préfère « régulateur à découpage » ou « alimentation à découpage », car le « mode à découpage » traduit mieux la nature de ces circuits : la commutation est le mode par lequel ils accomplissent leur tâche de régulation ou de conversion de tension.

Tous ces termes souffrent d'une ambiguïté qui pose rarement problème mais mérite néanmoins d'être noté : « régulateur à découpage » ou « alimentation à découpage » pourrait, en théorie, désigner un circuit qui génère un rail d'alimentation à l'aide de commutateurs en conjonction avec soit un inductance ou un condensateur.

En pratique, cependant, les termes mentionnés ci-dessus sont réservés aux commutateurs à inductance. La figure 1 est un exemple de régulateur de mode de commutation basé sur une inductance. La grande majorité des alimentations à découpage sont basées sur des inductances. Ce seront l’objet principal de cet article.

Les commutateurs basés sur des condensateurs, tels que l'exemple de circuit de la figure 2, sont généralement appelés alimentations « à pompe de charge » ou alimentations « à condensateur commuté ». Les figures 1 et 2 sont deux exemples de circuits qui produisent une tension de sortie supérieure à la tension d'entrée.

Pensons maintenant à un régulateur linéaire, comme illustré sur la figure 3. Les régulateurs linéaires ne peuvent que réduire la tension, nous savons donc que la tension d'entrée est supérieure à la tension de sortie.

Un régulateur linéaire nécessite une petite quantité de courant pour fonctionner ; c'est ce qu'on appelle le courant de terre. Le courant de terre est souvent négligeable, alors ignorons-le et supposons que le courant circulant dans le régulateur est égal au courant circulant hors du régulateur et dans le circuit de charge alimenté.

Pensons maintenant au pouvoir. Nous calculons la puissance électrique comme la tension multipliée par le courant, et comme la sortie a un courant égal mais une tension inférieure par rapport à l'entrée, la puissance doit être perdue quelque part. Vous pouvez aussi imaginer que le régulateur linéaire est un simple élément résistif avec une chute de tension :

$$V_{DROP} = V_{IN} - V_{OUT}$$

Dans ce cas, la puissance dissipée du régulateur linéaire, PREG est :

$$P_{REG} = V_{DROP} \cdot I_{LOAD}$$

L’un des composants d’un régulateur linéaire est en fait un interrupteur : il ne s’agit pas d’un interrupteur électromécanique, mais d’un transistor capable de fonctionner comme un interrupteur purement électrique. Cependant, nous n'appelons pas un régulateur linéaire un régulateur à découpage car l'interrupteur ne s'allume ni ne s'éteint ; au lieu de cela, le commutateur fonctionne dans un état intermédiaire dans lequel il présente une résistance importante, et cette résistance dissipe la puissance et permet une réduction de la tension.

La régulation linéaire est simple et très efficace, mais elle est inefficace. Le commutateur fonctionne dans un état résistif intermédiaire et dissipe des quantités d’énergie potentiellement importantes sous forme de chaleur. À moins que vous ne souhaitiez que votre régulateur fonctionne comme un régulateur et un radiateur électrique, cette énergie est gaspillée.

Cela nous amène au concept de régulateur à découpage. Si nous pouvons maintenir l’interrupteur entièrement activé ou complètement désactivé (en d’autres termes, si nous pouvons éviter cette région intermédiaire à forte dissipation de puissance), nous pouvons créer un régulateur beaucoup plus efficace. Mais notre discussion sur le régulateur linéaire suggère que la puissance gaspillée est nécessaire pour réduire la tension. Ce qu'il faut faire?