Un régulateur à découpage modulaire 5 V 2 A

Ce module est basé sur le régulateur LM2576-5 spécialement conçu pour remplacer les régulateurs linéaires traditionnels de la série 78xx.
Le circuit est réalisé sur une petite carte dotée de trois pattes au pas de 2,54 mm et dont les dimensions ne sont guère supérieures à celles d’un boîtier TO220.


Pour obtenir une tension stabilisée de 5 V, une pratique commune à tous les concepteurs consiste à recourir aux régulateurs de la série 78xx,. Ces composants sont faciles à utiliser grâce à leurs trois pattes (entrée, sortie et référence, le commun).
Il sont très fiables et adaptables à toutes les situations : leur tension de sortie est très précise et le courant maximum qu’il peuvent produire assez élevé (typiquement jusqu’à 1,5 A avec un dissipateur de chaleur approprié).
Il y a toutefois des cas où ces composants ne satisfont pas nos exigences, essentiellement parce que le courant maximum de 1 ou 1,5 A ne suffit pas ou alors, bien que le courant soit suffisant pour alimenter le circuit, nous avons trop de chaleur à dissiper (les dimensions du dissipateur, voire de sa ventilation, sont trop importantes pour notre cahier des charges).
On sait, en effet, que le problème inhérent aux régulateurs linéaires classiques et spécialement ceux de type série (les 78xx en font partie) est leur maigre rendement : ils réduisent la tension en faisant chuter la différence entre la tension d’entrée et celle de sortie en la dissipant en chaleur.
Un rapide calcul nous dit que de tels composants doivent perdre (sous forme de chaleur) une puissance égale au produit de la différence de tension IN/OUT par le courant les traversant. Comme il s’agit de régulateurs placés en série, ce courant est aussi celui traversant la charge (le circuit alimenté).
Il en découle, par exemple, que pour alimenter un circuit demandant 5 V et 2 A en partant d’une tension de 12 V, le régulateur doit prendre en charge une chute de tension égale à :

12 - 5 = 7 V

et fournir un courant de 2 A (notre exemple). Le composant devra dissiper une puissance de :
7 x 2 = 14 W

ce qui n’est pas rien, surtout comparé à la puissance utile de :
5 x 2 = 10 W.

Nous pouvons donc affirmer que la puissance dissipée par le régulateur série est perdue, ce qui, en particulier dans un circuit alimenté par batterie, est inacceptable parce qu’impliquant une sévère limitation de l’autonomie.
Ce n’est pas tout car, nous l’avons dit, la perte se manifeste sous forme de chaleur, devant être évacuée dans l’air ambiant par un dissipateur conséquent (volumineux et lourd) et coûteux.
Il n’est pas rare, dans de nombreuses applications, que l’utilisation d’une alimentation linéaire soit impossible et, pour résoudre le problème, on a recours à d’autres types de régulateurs : les régulateurs à découpage.
Ces dispositifs convertissent les paramètres de la puissance électrique et restituent la tension et le courant voulus sans perdre de la puissance, par conséquent avec peu d’échauffement et sans qu’on ait besoin, la plupart du temps, d’un régulateur.

Figure 1 : Comment fonctionne une alimentation à découpage.
La différence entre une alimentation linéaire classique et une alimentation à découpage tient à la manière dont sont gérés les paramètres de puissance électrique.
La première ne travaille qu’avec des grandeurs continues et peut fournir une certaine tension en partant d’une autre, à travers des réseaux (constitués aussi de composants actifs) créant des différences de potentiel (régulateurs série) ou soustrayant du courant dans une ligne afin de limiter celui qui circule dans une autre (régulateurs parallèles).
Le second type, en revanche, modifie les paramètres de la puissance, en ce sens qu’il peut fournir une certaine tension ou courant en faisant varier en conséquence la consommation en entrée : exactement, une alimentation à découpage transfère la même puissance de l’entrée à la sortie, même si elle doit réduire la tension. Or, cela, une alimentation linéaire ne peut le faire, car la puissance disponible en sortie dépend de la quantité perdue en régulation. Il est une autre chose qu’un régulateur linéaire ne peut faire, c’est de donner en sortie une tension plus haute que celle qu’il reçoit en entrée.
Dans sa forme la plus classique, une alimentation linéaire met en oeuvre des ponts de diodes (redresseurs) afin d’obtenir une tension continue à partir d’une tension alternative, ainsi que des circuits spécifiques de régulation employant des diodes zéner et des transistors dûment polarisés et rétro-actionnés. La seule façon pour une alimentation linéaire de stabiliser une tension ou un courant est de les réduire au dessous de la valeur minimale présente à l’entrée : cela implique une perte de puissance, d’autant plus marquée que la différence IN/OUT est plus grande. C’est particulièrement évident pour les régulateurs de tension série : pour stabiliser la sortie, ils provoquent un certain saut de tension.
Comme les circuits sont en série avec l’utilisateur (le circuit aval à alimenter), le régulateur est parcouru par le même courant que cet utilisateur (la charge) : par conséquent, une perte de puissance quantifiable a lieu, égale au produit de la différence de potentiel IN/OUT (“dropout”) par le courant circulant. Le régulateur linéaire classique a donc un rendement bas, d’autant plus bas que les tensions en jeu sont comparables avec la chute de tension IN/OUT.
Les choses sont bien différentes avec l’alimentation à découpage. Pouvant modifier les paramètres de la puissance, elle permet un minimum de perte : le rendement typique peut atteindre 85 à 90%.
Le fonctionnement d’un tel dispositif se fonde sur la commutation : il convertit la tension continue en pulsation (bidirectionnelle ou unidirectionnelle) et exploite les impulsions pour charger des composants réactifs (selfs ou condensateurs) dont on peut gérer la restitution de l’énergie emmagasinée. L’alimentation à découpage typique utilise des impulsions pour piloter le primaire d’un transformateur, sur le secondaire duquel on prélève la tension voulue : cela permet d’obtenir des tensions plus basses et des courants supérieurs ou des tensions plus hautes que celle d’origine, même avec des courants plus faibles.
Il existe aussi les circuits à charge d’inductance (ou charge selfique), comme celui que décrit cet article : les impulsions chargent une self, laquelle restitue ensuite l’énergie accumulée. Une rétroaction appropriée est pratiquée, de manière à réduire la largeur des impulsions s’il y a trop d’énergie ou à l’augmenter si la charge en réclame davantage.

Notre réalisation
C’est dans ce contexte que se situe le montage proposé par cet article : il a été conçu pour remplacer, broche à broche, un régulateur ordinaire 7805.
Il s’agit d’un module pourvu de trois pattes au pas de 2,54 mm et donc immédiatement substituable à un boîtier TO220 comme le typique 78xx. Ce module utilise le régulateur à découpage LM2576-5 de National Semiconductors (figure 2) pour obtenir 5 V stabilisés avec un courant de 2 A et n’a besoin que de quelques rares composants extérieurs passifs, parmi lesquels une petite self. Le circuit occupe une surface de la taille d’un 7805 doté d’un petit dissipateur et fait moins de 10 mm d’épaisseur.

Figure 2 : Notre système.

Le 7805 en boîtier TO220.

Le régulateur a été conçu pour se substituer au traditionnel 7805 (a) : pour cela, le circuit imprimé sur lequel il est réalisé se termine par trois pattes, au pas de 2,54 mm, disposées exactement comme celles du 7805 (même brochage). Ses caractéristiques sont cependant supérieures, comme le montre la table ci-contre, résumant les données techniques du coeur de notre circuit, le circuit intégré LM2576, ici dans la version 5 V (b).




Le schéma électrique
Un coup d’oeil au schéma électrique de la figure 3 confirme la simplicité de l’ensemble : le LM2576 est monté dans la configuration classique, il reçoit par la borne d’entrée du module la tension non régulée, filtrée par l’électrolytique C3 et le céramique C1. Les broches 3 et 5 sont reliées à la masse, comme le préconise la note d’application du constructeur, tandis que la 4 reçoit la tension de rétroaction directement de la sortie. La broche 2 correspond au transistor de sortie du circuit intégré, fournissant des impulsions de courant à la self L1 avec des intervalles de pauses pendant lesquels il se bloque. Pendant ce temps, L1 restitue l’énergie emmagasinée en un fl ux chargeant C4 avec une tension continue de 5 V. La fonction de la diode rapide D1 est d’empêcher que, pendant les pauses, la surtension inverse, due à la décharge de la self L1, n’endommage l’étage final du LM2576. Ce n’est pas tout : la diode MBR745 conduisant pendant ces phases, ferme le circuit de la self sur C2 et C4, ce qui permet leur charge, sans cela impossible.
Le module est alimenté avec une tension continue de 5 à 40 V.

Figure 3 : Schéma électrique du régulateur à découpage.

Figure 4a : Schéma d’implantation des composants.

Figure 4b : Photo d’un des prototypes.

Figure 4c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé. Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".

Liste des composants
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 100 μF 35V électrolytique
C4 = 1000 μF 16V électrolytique
D1 = MBR745
U1 = LM2576T-5
L1 = 47 μH 1,3 A

Divers :
1 barrette tulipe
3 pôles mâle 90°
2 boulons 8 mm 3 MA


Figure 5 : Le montage terminé ne nécessite aucun réglage.
Le brochage est le même que celui du régulateur 7805 qu’il remplace.


La réalisation pratique
La réalisation du module est fort simple : il faut, avant tout, fabriquer le petit circuit imprimé par la méthode préconisée et décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?" (la figure 4c en donne le dessin à l’échelle 1).
Quand la petite carte est gravée, découpée et percée, vous pouvez insérer et souder les deux condensateurs céramiques et la self L1, puis le LM2576 et la diode MBR745 (ailettes métalliques directement appuyées sur la surface du circuit imprimé et vissées à l’aide de petits boulons 3MA). Enfin, montez les deux condensateurs électrolytiques : le plus grand (C4) doit être couché contre la surface du circuit imprimé pour limiter l’épaisseur du module. N’oubliez pas de respecter la polarité de ces deux électrolytiques : la patte la plus longue est le +.
Pour réaliser les pattes du module, prenez une barrette tulipe mâle à trois broches à 90° au pas de 2,54 mm et soudez-la dans les trois trous situés dans la bas de la platine, sous les deux condensateurs multi-couches (voir la figure 4b).
Le dispositif est prêt à l’usage. Pour l’insérer à sa place (en substitution d’un 7805), rappelez-vous qu’il a le même brochage que tous les 78xx (donc le 7805), à condition de le regarder de face (côté composants) et pattes vers le bas.

Pour la réalisation
Tous les composants nécessaires à la réalisation de ce régulateur à découpage (EF443) sont faciles à trouver chez les revendeurs de matériel électronique.
Le circuit imprimé sera réalisé par la méthode préconisée et décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".

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