Être un régulateur à découpage , ce circuit est très efficace et ne gaspillera ni ne dissipera d'énergie, contrairement aux régulateurs linéaires tels que IC 7812, ou IC LM317 ou IC LM338.
Pourquoi les régulateurs linéaires comme 7812, LM317 et LM338 sont de mauvais convertisseurs abaisseurs ?
Les régulateurs linéaires tels que le 7812 et le LM317 sont considérés comme des convertisseurs abaisseurs inefficaces en raison de leurs caractéristiques opérationnelles.
Dans un régulateur linéaire, la tension d'entrée excessive subit une dissipation sous forme de chaleur. Cela implique que la chute de tension entre les bornes d'entrée et de sortie est simplement 'brûlée' en tant qu'énergie gaspillée. Le régulateur linéaire fonctionne en agissant comme une résistance variable, en ajustant sa résistance pour dissiper l'énergie excédentaire et réguler la tension de sortie.
Ce processus de dissipation entraîne une perte de puissance considérable et un faible rendement. L'efficacité d'un régulateur linéaire est déterminée par le rapport de la puissance de sortie à la puissance d'entrée. Lorsque la différence de tension d'entrée-sortie augmente, la puissance dissipée sous forme de chaleur, qui est la différence de tension multipliée par le courant de sortie, augmente également. Par conséquent, l'efficacité diminue à mesure que le différentiel de tension entre l'entrée et la sortie augmente.
Par exemple, lors de l'utilisation d'un régulateur linéaire pour réguler une entrée de 24 V à 12 V, l'excès de 12 V est dissipé sous forme de chaleur. Cela peut entraîner un gaspillage d'énergie substantiel et nécessiter des mécanismes de refroidissement supplémentaires dans les applications impliquant une puissance élevée.
En revanche, les régulateurs à découpage (tels que convertisseurs buck ) sont plus efficaces pour la conversion descendante. Ils utilisent une combinaison d'inducteurs, de condensateurs et de commutateurs pour convertir efficacement la tension.
Les régulateurs à découpage stockent de l'énergie pendant une phase du cycle de commutation et la délivrent pendant une autre, minimisant ainsi la dissipation d'énergie sous forme de chaleur. Selon la conception spécifique, les régulateurs à découpage peuvent atteindre des rendements allant de 80 à 95 %, voire plus.
En résumé, bien que les régulateurs linéaires tels que le 7812 et le LM317 soient simples et économiques, ils ne constituent pas le choix le plus efficace pour la conversion abaisseuse lorsque l'efficacité énergétique est une préoccupation importante.
Description des circuits
La figure ci-dessous montre le schéma de principe du convertisseur 24 V vers 12 V.
Le régulateur à découpage utilisé est un modèle courant chez Motorola : le µA78S40.
La figure suivante présente la structure interne de ce circuit intégré, qui comprend divers composants nécessaires à un régulateur à découpage : oscillateur, bascule, comparateur, source de référence de tension, driver et transistors de commutation.
De plus, il existe un amplificateur opérationnel qui n'est pas nécessaire pour cette application. Le filtrage et le lissage de l'alimentation sont assurés par les condensateurs C3 à C7.
Le condensateur C1 détermine la fréquence de l'oscillateur, tandis que les résistances R1, R5 et R6 aident à limiter le courant de sortie du convertisseur.
La tension aux bornes de la résistance R1 est proportionnelle au courant fourni par le convertisseur.
En définissant une différence de tension d'environ 0,3 V entre les broches 13 et 14 du µA78S40, les résistances R6 et R7 créent un diviseur de tension, permettant de limiter le courant à environ 5A.
La source de référence de tension, découplée par le condensateur C2, est disponible sur la broche 8 de IC1.
Cette tension de référence est appliquée à l'entrée non inverseuse du comparateur interne de IC1. L'entrée inverseuse est mise à un potentiel proportionnel à la tension de sortie du convertisseur.
Pour maintenir une tension de sortie constante, le comparateur commande l'étage de sortie de IC1.
Les deux entrées du comparateur sont maintenues au même potentiel, et la tension de sortie est donnée par la formule suivante :
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1) / R5].
La résistance réglable Aj1 permet de régler la tension de sortie du convertisseur dans la plage de +10V à +15V.
Les deux transistors de sortie forment une paire de Darlington, et leur commutation successive est commandée par la bascule en synchronisation avec les oscillations du condensateur C1.
Associée à une porte ET, cette bascule est commandée par le comparateur pour ajuster le temps de conduction de l'étage de sortie du µA78S40 et maintenir une tension de sortie constante.
L'état saturé ou bloqué du transistor T1 suit l'état de la paire Darlington de IC1. Lorsque l'étage de sortie de IC1 est saturé, le transistor T1 est polarisé et son courant de base est limité par la résistance R2.
La résistance R3, avec la résistance R9, forme un diviseur de tension, limitant la tension VBE du transistor T1 au début du processus de commutation.
Le transistor T1, agissant comme un modèle Darlington, se comporte comme un interrupteur ouvert ou fermé à la fréquence de l'oscillateur du µA78S40.
L'inductance L1 permet la chute de tension de 24V à 12V en utilisant les propriétés de l'inductance. En régime établi, lorsque le transistor T1 est saturé, une tension de +12V est appliquée aux bornes de l'inductance L1.
Durant cette phase, l'inductance emmagasine de l'énergie qu'elle restitue lorsque la tension appliquée disparaît. Ainsi, lorsque le transistor T1 est bloqué, l'inductance L1 tend à entretenir le courant qui la traverse.
La diode D1 devient conductrice et une force contre-électromotrice de -12V apparaît aux bornes de l'inductance L1.
