Abaissement tension

 

Vous êtes nombreux à vous demander quelle valeur adopter pour une résistance placée en série dans un circuit électronique, dont le seul but est d'abaisser la valeur d'une tension donnée. Il existe plusieurs méthodes, et la résistance chutrice n'est pas forcement la plus appropriée, nous allons voir pourquoi. L'abaissement d'une tension alternative par les "voies normales" n'est pas abordée dans cet article, mais si le sujet vous intéresse, peut-être devriez-vous commencer par regarder du côté des transformateurs d'alimentation.

Réduire une tension continue

La première idée qui vient à l'esprit quand on veut réduire la valeur d'une tension, est d'insérer une résistance dans le circuit d'alimentation. Après tout, c'est bien ce qu'on nous a appris à l'école : une résistance développe à ses bornes une tension (U) dont la valeur est égale au produit de sa valeur ohmique (R) par le courant (I) qui la traverse, selon la célèbre formule qui suit et que vous devriez connaitre par coeur :

U = R x I

Et cette valeur de tension U, qui se retrouve aux bornes de la résistance, est bien retranchée de la valeur obtenue au final. Ce qui est tout à fait juste, et l'exemple de la LED avec sa résistance de limitation de courant en illustre parfaitement le contexte :


Un exemple entre autres...

Seulement voilà : la chute de tension dans la résistance est fonction de deux données : la valeur de la résistance elle-même, et la valeur du courant qui la traverse. Il suffit qu'une de ces deux valeurs change pour que la chute de tension change elle aussi. Et ce comportement est très rarement désiré quand il s'agit d'alimenter un circuit qui réclame une tension d'alimentation bien précise et fixe. Pour la LED, pas de soucis, car si la tension de départ est fixe, la tension et le courant d'arrivé seront aussi fixes, car la LED ne modifie point son comportement en situation dite "normale" (on oublie volontairement les petites variations auxquelles elle peut être soumise avec la température ambiante). Le choix d'une résistance chutrice convient donc très bien, tout du moins tant que la dissipation de puissance dans cette dernière reste modeste, c'est à dire si la tension à chuter (à retirer) et le courant traversant ne sont pas trop importants.

Passage de +9 V à +3,3 V

Maintenant, imaginons que vous disposez d'une tension continue de 9V, et que vous souhaitez alimenter un petit circuit intégré qui réclame une tension de 3,3 V, toute tension supérieure à cette valeur étant néfaste à ce circuit. Vous décidez donc de faire chuter la tension de 9 V à une valeur de 3,3 V. Rien de plus simple, allez-vous dire, on connait la tension à retirer, qui est de :

9 V - 3,3 V = 5,7 V

Vous calculez donc la valeur de R en retournant la formule magique :

R = U / I

U étant la tension à chuter, et I étant la consommation du circuit qui fonctionne sous 3,3 V.
Mais au fait, quelle est cette valeur de I ? En avez-vous seulement une idée ? 1 uA, 10 mA, 100 mA, 1 A, 1000 A ? Qu'à cela ne tienne, il suffit de consulter la notice constructeur (datasheet) du circuit en question. Et vous lisez : consommation maximale 150 mA. Parfait, nous avons toutes les données du problème, la résistance doit donc être de :

R = 5,7 (V) / 0,15 (A) = 38 (ohms)

Une résistance de valeur normalisée de 39 ohms fera l'affaire.
 

Mais...

La valeur de I spécifiée dans le datasheet était une valeur maximale. Imaginons ce qui se passe avec notre résistance de 39 ohms, si la consommation normale du circuit n'est que de 40 mA. Dans ce cas, la chute de tension est de :

U = R x I
= 39 (ohms) * 0,04 (A)
= 1,56 V.

Le circuit qui demande 3,3 V reçoit donc maintenant une tension de 9 V - 1,56 V, soit 7,34 V. 
Et il grille instantanément. Ce qui est bien embêtant...

 

La solution ?

Un régulateur de tension intégré, qui délivre une tension bien stable quel que soit le courant demandé. Il suffit de choisir le régulateur qui va bien, en fonction de la valeur de la tension d'entrée et du courant consommé. Dans notre cas, un régulateur de type LM317, "programmé" convenablement pour qu'il sorte 3,3 V, convient parfaitement (voir page Alim simple 3, qui indique comment procéder).

Passage de +5 V à +3,3 V

Même si on considère que le courant consommé est du même ordre que dans l'exemple précédent, la problématique reste identique, une résistance ne peut pas être utilisée si le courant consommé n'est pas parfaitement connu ou s'il n'est pas fixe. Donc là encore, régulateur de tension requis. 

Oui mais... les régulateurs de tension classiques nécessitent une tension d'entrée dont la valeur est supérieure d'au moins 3 V à la tension de sortie régulée, si l'on veut que la régulation s'effectue parfaitement. Or, la différence de tension entre le +5 V d'entrée et le +3,3 V de sortie n'atteint pas cette valeur différentielle minimale de 3 V. On doit donc mettre en oeuvre un régulateur de tension intégré spécial, à faible chute de tension, appelé LDO (Low DropOut, faible tension de déchet), de type LM2941T ou LM2940CT par exemple.
 

Remarque

Il existe des régulateurs abaisseur de tension spécifiquement conçu pour abaisser un +5 V en un +3,3 V, car il existe à ce jour beaucoup de composants logiques (interfaces, microprocesseurs) qui doivent cohabiter avec les deux tensions, et les fabricants de régulateurs de tension l'ont bien compris. Afin de minimiser les pertes (notamment en terme de dissipation thermique), ces régulateurs sont souvent de type à découpage.

Exemple avec ampoule 2,4 V alimentée sous 16 Vac

Vous disposez d'une ampoule de 2,4 V / 0,16 W que vous souhaitez alimenter avec un transformateur d'alimentation 230V / 16V. La tension crête en sortie du transfo est de 16 * 1,41 = 22 V, mais comme nous sommes en présence d'une tension alternative non redressée, on peut baser nos calculs sur la tension de sortie efficace du transfo, qui est ici de 16 V.

Pour l'ampoule, 2,4 V et 0,16 W correspondent à un courant de l'ordre de
I = 0,16 / 2,4 = 0,066 A

La résistance ohmique de l'ampoule peut être évaluée à
R = 2,4 / 0,066 = 36 ohms

Il faut faire chuter la tension de 
U = 16 - 2,4 = 13,6 V

et en théorie, une résistance série de 
R = (16 - 2,4) / 0,066 = 206 ohms (valeur normalisée 220 ohms)

devrait donc convenir. La puissance qu'elle doit être en mesure de dissiper est de 
P = 13,6 * 0,066 = 0,9 W (valeur normalisée minimum 1 W)

Oui mais... Ces valeurs sont calculées pour une valeur résistive approchée, qui n'est valable que lorsque l'ampoule est allumée, c'est à dire chaude. Quand le filament est froid, sa résistance ohmique est cinq à dix fois plus faible, ce qui, au moment de l'allumage, occasionne une pointe de courant non négligeable. Imaginons que l'ampoule présente une résistance interne de 5 ohms à froid : dans ce cas, le courant qui circule au moment de l'allumage est de :

I = 16 / (220 + 5) = 0,07 A.

Bon, ça va, c'est acceptable, on peut donc dire qu'une résistance chutrice de 220 ohms convient dans le cas présent...

Cas classiques avec des régulateurs de tension

La résistance chutrice peut bien souvent être troquée contre un régulateur, et c'est souvent une solution bien plus élégante et plus sûre, car la tension régulée est bien moins indépendante du courant consommé. Passer d'une tension de +15 V à une tension à une tension de +9 V ne pose aucun soucis particulier, tout du moins tant que les valeurs limites de courant et de puissance du régulateur ne sont pas dépassées. Voir Régulateurs de tension

Alimentation secteur avec transformateur

Voir page Alimentations secteur.

Alimentation secteur sans transformateur

Voir page Alimentations secteur sans transformateur

 

 

 

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