Un régulateur de tension est un circuit intégré analogique chargé de maintenir une tension de sortie stable, même lorsque la tension d'alimentation ou la consommation du circuit varie.

La plupart des composants électroniques ont besoin d'une tension précise pour fonctionner correctement. Une tension trop faible peut provoquer des dysfonctionnements, tandis qu'une tension trop élevée risque d'endommager les circuits. Le régulateur assure donc une alimentation fiable et protège les appareils contre les variations de tension.

On trouve des régulateurs dans les alimentations de laboratoire, les ordinateurs, les téléviseurs, les téléphones, les chargeurs, les cartes électroniques, les véhicules, les satellites et pratiquement tous les appareils électroniques modernes.

Pourquoi réguler une tension ?

Une source d'alimentation ne fournit pas toujours une tension parfaitement constante.

Une batterie se décharge progressivement, un panneau solaire produit une tension qui dépend de l'ensoleillement, tandis qu'une alimentation reliée au secteur peut présenter de légères variations ou des parasites.

Sans régulation, ces variations seraient directement transmises aux composants électroniques, ce qui pourrait perturber leur fonctionnement.

Le régulateur agit comme un système de contrôle qui corrige en permanence la tension afin de conserver une valeur pratiquement constante en sortie.

Le principe de fonctionnement

Le régulateur compare continuellement la tension de sortie à une tension de référence interne très stable.

Si la tension de sortie devient trop faible, il laisse passer davantage d'énergie.

Au contraire, si la tension devient trop élevée, il limite automatiquement cette énergie afin de retrouver la valeur souhaitée.

Cette correction s'effectue en permanence et souvent plusieurs milliers ou millions de fois par seconde.

Les régulateurs linéaires

Les régulateurs linéaires sont les plus simples à utiliser.

Ils fonctionnent comme une résistance variable commandée automatiquement qui absorbe la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie.

Par exemple, si un circuit reçoit 12 V et doit fournir 5 V, le régulateur élimine les 7 V excédentaires sous forme de chaleur.

Cette technologie produit une tension très propre, avec très peu de parasites, mais son rendement diminue lorsque la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie devient importante.

Les régulateurs fixes

Les régulateurs fixes délivrent une tension déterminée dès leur fabrication.

Les séries les plus connues sont les 78xx, qui fournissent une tension positive, et les 79xx, destinées aux tensions négatives.

Le nombre placé après les deux premiers chiffres indique directement la tension de sortie.

• 7805 : 5 V
• 7809 : 9 V
• 7812 : 12 V
• 7815 : 15 V
• 7905 : −5 V
• 7912 : −12 V

Ces circuits possèdent généralement trois broches : l'entrée, la masse et la sortie.

Les régulateurs ajustables

Les régulateurs ajustables permettent de choisir la tension de sortie grâce à quelques composants externes.

Le plus célèbre est le LM317.

En utilisant deux résistances, il est possible d'obtenir une tension de sortie comprise approximativement entre 1,25 V et 37 V, selon la tension d'alimentation disponible.

Les alimentations de laboratoire utilisent très souvent ce type de régulateur afin de permettre le réglage de la tension de sortie.

La chute de tension

Pour fonctionner correctement, un régulateur linéaire doit recevoir une tension d'entrée supérieure à la tension qu'il doit fournir.

Cette différence minimale est appelée la chute de tension ou dropout voltage.

Par exemple, un régulateur 7805 nécessite généralement une tension d'entrée d'environ 7 V pour garantir une sortie stable de 5 V.

Si la tension d'entrée devient trop faible, la tension de sortie diminue également.

Les régulateurs LDO

Les régulateurs à faible chute de tension, appelés LDO (Low Drop-Out), fonctionnent avec une différence beaucoup plus faible entre la tension d'entrée et la tension de sortie.

Certains modèles peuvent continuer à réguler correctement avec seulement quelques centaines de millivolts d'écart.

Ils sont particulièrement utilisés dans les appareils alimentés par batterie, où chaque volt disponible est précieux.

La dissipation thermique

Lorsqu'un régulateur linéaire élimine une partie de la tension, cette énergie est transformée en chaleur.

P = (V_entrée - V_sortie) × I

où P est la puissance dissipée en watts, I le courant fourni par le régulateur.

Plus la différence de tension ou le courant sont importants, plus le régulateur chauffe.

Dans les applications de forte puissance, un radiateur métallique est souvent fixé au circuit intégré afin d'évacuer cette chaleur.

Les régulateurs à découpage

Lorsque le rendement devient prioritaire, on utilise des régulateurs à découpage, également appelés convertisseurs à découpage (Switching Regulators).

Au lieu de dissiper l'énergie excédentaire sous forme de chaleur, ils la transfèrent par impulsions à l'aide de transistors, d'inductances et de condensateurs.

Leur rendement dépasse souvent 90 %, ce qui réduit fortement les pertes d'énergie.

En contrepartie, leur fonctionnement est plus complexe et ils génèrent davantage de parasites électriques qu'un régulateur linéaire.

Les principaux convertisseurs à découpage

Les régulateurs à découpage peuvent modifier la tension de différentes manières.

• Le convertisseur Buck abaisse la tension.
• Le convertisseur Boost augmente la tension.
• Le convertisseur Buck-Boost peut aussi bien augmenter que diminuer la tension selon les besoins.

Ces convertisseurs alimentent les ordinateurs portables, les smartphones, les véhicules électriques, les panneaux solaires, les drones et de nombreux appareils électroniques modernes.

Les protections intégrées

La plupart des régulateurs modernes possèdent plusieurs systèmes de protection intégrés.

Ils limitent automatiquement le courant en cas de court-circuit, réduisent leur fonctionnement en cas de surchauffe et protègent parfois le circuit contre les inversions de polarité ou les surtensions.

Ces protections évitent la destruction du régulateur et augmentent considérablement la fiabilité des équipements électroniques.

Quelques régulateurs célèbres

Les séries 7805, 7809 et 7812 restent parmi les régulateurs fixes les plus connus.

Le LM317 est le régulateur ajustable le plus utilisé dans les montages électroniques.

Les familles LM1117, AMS1117 et de nombreux régulateurs LDO modernes sont très présentes sur les cartes électroniques fonctionnant sous 3,3 V ou 5 V.

Les convertisseurs à découpage, comme les circuits de la famille LM2596 ou les nombreux régulateurs synchrones actuels, sont devenus indispensables dans les appareils nécessitant un excellent rendement énergétique.