La diode zener: transistor ballast série

Le montage transistor ballast est un montage composé d'une diode zener comme source de tension stabilisée et d'un transistor monté en émetteur-suiveur. L'ensemble permet d'exploiter la bonne stabilité en tension de la diode zener et le courant disponible grâce au transistor.

De nombreux montages associent diode zener et transistor. Dans tous les cas, le transistor est utilisé pour son gain en courant qui permet d'obtenir un courant de sortie plus important, tout en ayant une tension stabilisée par diode zener.

Régulateur série avec une diode zener

L'inconvénient majeur du montage "diode zener + résistance" est sa consommation à vide, identique à la consommation en charge. Pour limiter cette consommation, on ajoute un transistor qui n'appelle du courant que lorsque la charge de sortie en demande. Le rendement est ainsi amélioré aux faibles charges. La puissance dissipée dans la zener est limitée, de même que la consommation globale d'énergie.

Montage transistor ballast avec diode zener

Tension de sortie du montage transistor ballast

Le transistor (appelé transistor ballast) se trouve entre l'entrée et la sortie. Il fonctionne en émetteur-suiveur (ou collecteur commun). Son potentiel de base vaut la tension de zener Vz. Il existe un décalage de Vbe (0,6 V environ) entre la base et la sortie :

Vs = Vz - Vbe

La tension de sortie Vs est inférieure de 0,6 V à la tension de zener. On pourrait dire que la tension de sortie est égale à la tension zener amputée de 0,6 V.

Courant de sortie du montage transistor ballast

Sans le transistor, le montage pourrait fournir un courant limité à ib. D'après la loi d'Ohm et la loi des nœuds :

ib = (tension d'entrée mini - tension de zener) / R - izmin

Avec l'ajout du transistor, le courant maximum disponible est multiplié par le gain hfe + 1 et vaut :

is = ib.(hfe + 1)

En pratique, hfe est de l'ordre de 50 à 500 pour les transistors bipolaires courants.

Remarque : lorsque le courant de sortie est important, la dissipation du transistor peut devenir conséquente. La diode zener dissipe peu. Aucune protection contre les court circuits n'est prévue !

Calcul d'un montage à transistor ballast

Exemple : alimentation pour ventilateur 12V / 200 mA

On souhaite réaliser une alimentation pour ventilateur de PC (12 V, 200 mA) à partir d'une tension non régulée qui fluctue entre 18 et 24 V. Calculer R adaptée, ainsi que la dissipation des composants dans le pire cas.

Données : Izmin = 0,2 mA, hfe = 100

Réponse

Tout d'abord, pour créer une tension de sortie de 12 V, il faudrait une zener de 12,6 V, ce qui n'existe pas. On pourra mettre en série une diode ou se contenter d'une sortie à 11,4 V. On suppose qu'une tension de 11,4 V convient (avec 200 mA disponibles). La diode zener choisie est donc une zener de 12 V.

Calcul de R

La plus grande valeur de ib nécessaire (ibmax) vaut :

ibmax = ismax/(hfe+1) = ismax / hfe (hfe>>1)

ibmax = 200 mA/100 = 2,00 mA

Il faut que la résistance puisse délivrer 2mA pour que le courant de sortie issu du transistor puisse atteindre 200mA.

Or, Izmin = 0,2 mA.

Lorsque la tension d'entrée Ve est minimale, le courant dans la résistance est minimal : c'est le pire cas. On considère donc Ve = 18 V. Il faut au moins un courant de Izmin + ibmax = 2,2 mA dans la résistance. D'où la valeur maximale pour R :

R = (Vemin - Vz) / (Izmin + ibmax) = (18 - 12 V) / 2,2 mA = 2,73 kOhm

On choisit R = 2,7 kOhms dans la série standardisée E12.

Puissance dissipée par la diode zener

Dans le pire cas, ib est nul (si le courant de sortie est nul), donc tout le courant de la résistance va dans la diode zener. De plus, le pire cas est Ve = Vemax = 24 V.

Le courant vaut alors : 24 V - 12 V / 2,7 k = 4,4 mA

La puissance dissipée par la zener vaut : Pz = 4,4 mA x 12 V

Pz = 52,8 mW

Puissance dissipée par le transistor

Dans le pire cas, le courant de sortie est à sa plus grande valeur (is = 200m A) et la tension d'entrée est maximale aussi (Ve = Vemax = 24 V).

La tension Vce aux bornes du transistor vaut alors Ve - Vs = 24 V - 11,4 V = 12,6 V

La puissance Ptdissipée par le transistor vaut alors : Pt = 12,6 V x 200 mA

Pt = 2,52 W

Il est impératif de monter le transistor sur un radiateur de quelques cm de côté.

Le transistor pourra être un BD237, un BD139, etc.