Article tiré de la revue Electronique
Pratique : n°101 - Février 1987. Auteur :
P.Wallerich
Nous
passons en revue la
plupart des montages d’amplificateurs opérationnels associés de près ou de loin
aux alimentations et aussi quelques mises en oeuvre de régulateurs intégrés,
pour ne pas sortir du sujet.
Référence de tension (fig 1a, b c) : Avec une Zener, il
est possible d'obtenir une tension de référence à peu prés stable. A peu
près, car, hormis une Zener de 5,6 V, les autres Zeners ont
une dérive thermique. L'idée est d'utiliser cette Zener de 5,6 V avec un pont
diviseur pour régler sa tension de référence désirée. Dans le premier
cas, Vous sera supérieur à la tension de Zener, et R3 en permettra l'ajustage.
On notera que les résistances R2 et R4 sont facultatives. Leur rôle est de
fixer les extrémités du réglage. La tension de sortie ne présentera aucune
ondulation résiduelle, hormis celle transmise par l'ampli-op, car c'est la
sortie qui polarise la Zener. Pour obtenir une
tension réglable de 0V à Vout max, il suffit de réaliser le second montage.
Une partie de la tension de Zener est ajustée par le pont diviseur, et
l'ampli-op, monté en suiveur, permettra d'exploiter cette tension de référence
quelle que soit la charge en sortie (dans les limites de l'Aop !). Le troisième
montage est identique au précédent, hormis les inversions de polarisation,
permettant une tension de référence négative. Dans ces deux derniers cas, on
pourra découpler la Zener avec un condensateur de 1 à 10 uF pour réduire
l’ondulation résiduelle à ses bornes si V est lui-même entaché d'une ondulation
résiduelle. On notera aussi que R1 assurera la polarisation de la
Zener et sera calculée au mieux, pour diminuer l’influence thermique.
Figure
1
Référence de tension A.F.E.T (fig 2) : Avec les deux
montages précédents, l'ondulation résiduelle superposée à la tension
d'alimentation se répercute aux bornes de la Zener. Pour réduire au maximum
cette ondulation, il suffit de polariser la Zener par un générateur de courant
constant, en l'occurrence un FET avec Vgs = 0 V. On utilise ici une Zener
LM103, très stable et découplée par une capacité de 0,1 uF. On atteint ainsi
une réjection d'alimentation de plus de 100 dB. Pour exploiter la sortie, on y
adjoint un ampli-op monté en suiveur. Pour conserver le taux de réfection
d'alim, il faut que l'ampli-op ait un taux aussi élevé! A noter que la Zener
LM103 peut être remplacée par tout autre type, au détriment des 100 dB.
Figure
2
Ampli-op sans alimentation négative (fig 3) : Il est plus
fréquent de rencontrer un ampli-op alimenté entre +V et -V, plutôt qu'avec
une alimentation unique. D'ailleurs, c'est ce cas qui pose le plus de problèmes
aux débutants ! D'abord, on remplace -V par la masse, et +V prend le double
de la valeur précédente. On a donc encore 2V entre les bornes +V et -V de
l'ampli-op. Ensuite, tous les
anciens points de masse deviendront une masse virtuelle (virtuelle, car
différente de la vraie masse !), c'est-à-dire une polarisation commune,
généralement à la moitié de la nouvelle tension d'alimentation, pour conserver
la symétrie. Le générateur d'alimentation intermédiaire se voit justement
affecté à ce rôle. Ainsi, la tension au milieu du pont diviseur vaut +2V / 2,
donc + V. Le montage suiveur permettra d'utiliser cette masse virtuelle, quel
que soit le courant y circulant (dans les limites de l'ampli-op, bien sûr!). On
retrouve donc, entre cette masse virtuelle et les bornes d'alimentation de
l'ampli-op, une tension de +/- V.
Figure
3
Alimentation symétrique (fig 4) : Voici décrite une
alimentation symétrique +/- V. La figure 4b en explique le principe. Le premier
régulateur fixe la tension +V. L'ampli-op va régler sa sortie à -V, en se
référant au point milieu du pont diviseur de résistances R. Si la tension
négative vaut -V+...
, le point milieu vaudra +... et, comme le point milieu est
relié en e(-), l'ampli-op diminuera sa sortie. De même, si la tension négative
vaut -V-..., l'ampli-op augmentera sa sortie. On a donc bien une régulation de
-V, fidèle à +V, à la polarité près !
Figure
4b
La figure 4a
présente le montage complet. Le régulateur +V est réalisé avec un ampli-op.
Avec les valeurs indiquées, P autorise un réglage de V de +5 à +35 V. La
résistance R assure la polarisation de la Zener, quel que soit l'état initial
de la sortie de l'ampli-op. Comme les courants de sortie seront faibles, on
exploite directement la sortie des ampli-op's, et un redressement
mono-alternance convient. La "Zener" LM 103 peut être remplacée par toute
autre Zener, à condition de recalculer le pont de comparaison en tenant compte
de cette valeur. On notera que V sera toujours supérieur à VZ, quel que soit le
réglage de P.
Figure
4a
Alimentation symétrique avec régulateur intégrés (fig
5) : Pour bénéficier
d'un courant de sortie plus élevé, le plus simple est d'utiliser des
régulateurs intégrés, type 7805... Le rôle de ce montage est d'obtenir deux tensions
de sonie égales, mais de polarités opposées. Cette fois, l'ajustage de V se
fera sur le régulateur négatif, et la sortie positive sera obtenue par le
principe précédent. Normalement, la borne contrôle est reliée à la masse pour
les régulateurs du type 7805. Pour d'autres, comme le LM317, elle conserve son
appellation. Ici, l'ampli-op réglera V en superposant sa tension de sortie à
cette broche contrôle ; d'où V = Vreg + Vsaop et Vsaop vaut Vp, une fraction de
V, comme l'ampli-op est monté en suiveur. On notera que V ne pourra jamais être
inférieur à Vreg, la tension du régulateur. Justement, le LM317 n'accuse que
1,2 V. Un LMI558 pourra très bien convenir, car c'est un double ampli-op
économique en boîtier DIP.
Figure
5
Alimentation régulée depuis une tension élevée (fig
6) : Ce n'est pas une
application des ampli-op's, mais cette remarque sera utile pour la mise en
oeuvre de vos montages. Pour obtenir une tension régulée, on fait maintenant
appel aux régulateurs intégrés. Seulement, dès que la tension d'entrée
est trop élevée, ils sont inutilisables, car ils ne pourraient dissiper toute
la puissance. Il faut donc dissiper cet excès de puissance ailleurs et, plutôt qu'une résistance de
puissance, on choisira un transistor. Le 2N3055 chutera environ VZ -1V en Vce
et donc dissipera la puissance dans son radiateur. Les formules indiquées
permettront le choix de la Zener.
Figure
6
Alimentation programmable (fig 7) : La programmation de la tension se fera par une résistance.
La tension de sortie sera directement proportionnelle à la valeur de Rx. Pour
ce faire, un courant constant traverse Rx et un ampli-op monté en suiveur
recopie la tension à ses bornes, soit Rx . Icst
. Comme la tension aux bornes de
la Zener est constante, la tension aux bornes de R3 l'est aussi, et donc le
courant la traversant est lui-même constant. Icst = (VZ - Vbe) / R3. Si la
tension d'entrée U n'est pas trop élevée, D1 sera supprimée et R2
sera court-circuitée. Le rôle de R1,
D1 est de préréguler
la tension pour attaquer RZ, DZ le cas échéant. A noter que l'ampli-op devra
accepter U comme tension d'alimentation
!
Figure
7
Blocage d’une alimentation (fig 8) : Il est parfois
utile d'inhiber le fonctionnement d'un régulateur, et donc sa tension de
sortie. T1 joue le rôle d'interrupteur, et T2 est sa
commande. Il suffit de saturer T2 pour saturer T1 et
autoriser l'alimentation du régulateur. Si le signal de commande vaut 0V, les
deux transistors sont bloqués, ainsi que le régulateur. R2, R3
seront déterminés pour garantir la saturation des transistors, et R1
garantira le blocage de T1, en éliminant l'influence des courants de
fuites.
Figure
8
Alimentation de puissance (fig 9) : Si maintenant le
courant de sortie d'un régulateur ne suffit plus, on lui adjoindra un « ballast
», qui créera ainsi un régulateur de puissance. Dans notre cas, le régulateur
se charge de 1/5 du courant. Comme le courant est le même à l'entrée du
régulateur, il développera aux bornes de R1 une tension suffisante
pour faire conduire le transistor de puissance. Le courant de sortie disponible
sera de 9 A avec les valeurs indiquées et un transistor 2N4398. R3
limitera le courant maximum et autorisera un courant de court-circuit réduit à
5,5 A.
Figure
9
Alimentation symétrique avec un simple transformateur
(fig 10) : Comment obtenir
deux tensions de signe opposé avec un transformateur à enroulement unique, sans
utiliser le principe de la figure 4 ? Il suffit de recréer un signal alternatif
flottant par rapport à la masse à l’aide de deux capacités d'isolement. Ensuite
un pont de diodes et une capacité de découplage. On notera les relations entre
ces capacités, et, pour un ordre d'idée, avec C = 470 uF, un courant de 30 mA
est possible sans ondulation résiduelle trop élevée. La valeur de C déterminera
directement le courant maximum, qui restera faible toutefois ! A noter que la
tension négative peut être totalement flottante par rapport à la masse !
Figure
10
Alimentation symétrique avec un LM380 (fig 11) : Un autre moyen de
créer deux tensions symétriques et mettant en oeuvre un ampli-op a été décrit
en figure 3. L'idée est venue d'utiliser un ampli LM380 pour réaliser ce
montage et bénéficier de courants plus élevés dans la masse. On ajustera R pour
obtenir une tension symétrique. Il est possible d'utiliser ce montage avec un
transfo à enroulement unique ou avec des piles.
Figure
11
Générateur de courant constant (fig 12) : Avec un régulateur
de tension intégré, il est possible de réaliser un générateur de courant comme
indiqué dans ce montage. La tension régulée du régulateur, Vreg, se retrouve
aux bornes de R et y crée donc un courant constant de Vreg/R. Le courant de la
broche contrôle restant faible, c'est le courant I disponible en sortie. On
notera la tension maximum en sortie à vide de U – Vreg - 3V environ. Le courant
est aussi limité par le courant maximum du régulateur. Pour éviter une
puissance trop élevée pour R, on choisira un régulateur de tension Vreg
minimale (7805 : 5 V ; LM317 : 1,2 V...).
Figure
12
Régulation de tension (fig 14) : Le condensateur de 0,22 uF sera nécessaire si les liaisons sont
longues jusqu'au transfo, via le redresseur filtrage.
Figure
14
Sources de courant de précision (fig 13 a et
b) : Ces deux générateurs ne se
différencient que par le sens du courant I délivré. Le FET associé au
transistor limite au minimum le courant consommé sur l'ampli-op et pourrait
être remplacé par un bon Darlington. Cet ensemble forme avec l'ampli-op un
espèce d'ampli-op de puissance qui pourrait délivrer jusqu'à 200 mA (attention
à la dissipation dans le 2N2219 !). Ainsi, la tension Vin se retrouve aux
bornes de R et y crée un courant I = Vin/R. On notera Vin > 0V et Vin <
0V respectivement en figures 13a et 13b.
Figure
13a
Figure
13b
Auteur :
P.Wallerich Article tiré de la revue Electronique
Pratique : n°101 - Février 1987
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