Realisation d'un regulateur de charge universel

Conçu à l’origine pour réguler la tension et le courant de sortie des panneaux solaires, ce régulateur de charge peut être employé partout où il est nécessaire de stabiliser une tension fournie par une alimentation continue et d’en limiter le courant débité à une charge ou à une batterie.



Parce qu’ils captent l’énergie du soleil, les photons, sans altérer la composition chimique et physique de l’environnement où ils se trouvent, les panneaux solaires constituent, aujourd’hui, la méthode la plus écologique pour générer de l’électricité.
Ils sont plus écologiques encore que les centrales hydroélectriques qui, bien qu’elles ne polluent pas, ne constituent pas des sources d’énergie tout à fait naturelles. La déviation des cours d’eau et la création des bassins de rétention artificiels nécessaires à leur fonctionnement entraînent des changements environnementaux plus ou moins dommageables.

Le solaire, pourquoi et pour quoi faire ?
De par leur structure et grâce à leur simplicité intrinsèque, les panneaux solaires sont tout indiqués pour générer du courant électrique sur des sites où on ne peut disposer des 220 volts du réseau traditionnel. Bien entendu, tout est une question de surface exposée ! Si l’on reste dans des dimensions raisonnables, il sera possible de faire fonctionner des émetteurs de moyenne puissance, des appareils radio, des systèmes d’alarmes, de petits ordinateurs portables, des instruments de mesures, etc.
Un panneau, composé de simples bandes de silicium, est suffisant pour fournir une certaine quantité d’énergie, prête à être emmagasinée, le cas échéant, dans des accumulateurs de capacité appropriée, pour la restituer par la suite à la demande, à la tombée de la nuit, par exemple. Dans le désert, en rase campagne ou à bord d’un voilier, l’énergie lumineuse diurne est toujours présente et l’exploiter ne coûte (presque) rien.
L’utilisation des panneaux solaires, commode et économique, pose quand même certains problèmes, heureusement peu importants, mais qui doivent être abordés correctement.
Avant tout, la tension qu’ils produisent varie sensiblement selon la variation de l’intensité lumineuse du soleil.
Si, avec ces panneaux, on alimente un dispositif électronique qui demande une tension stabilisée, ou tout du moins comportant peu de variations, il est nécessaire d’intercaler un régulateur capable de maintenir, en sortie, un potentiel insensible aux variations de l’entrée. C’est ce que fait le circuit dont nous allons parler dans cet article.

Données principales
Le régulateur de charge dans son boîtier.

Tension d’entrée ................. 4,5 à 40 VccTension de sortie ................ 1,4 à 37 VccIntensité de sortie (max.) ....... 500 mASeuil d’intensité (protection) ... 10 à 500 mA

Les réglages s’effectuent par l’intermédiaire de deux trimmers présents sur le circuit et à l’aide d’un simple multimètre.
Veillez au refroidissement de U1 car le radiateur utilisé doit être dimensionné pour une tension d’entrée maximale de 20 Vcc.

Pourquoi universel ?
Il s’agit d’un stabilisateur réglable, autant en tension qu’en intensité. Par conséquent, il est universel et adapté non seulement pour interfacer les panneaux solaires mais également à une grande variété d’autres systèmes.
Par exemple, ce dispositif peut imposer une limite en courant, très utile pour la charge à courant constant des batteries au plomb.
En fait, à tension constante, une caractéristique des accumulateurs est justement d’absorber de forts courants lorsque la batterie est déchargée et d’avoir un courant d’absorption de plus en plus faible au fur et à mesure que la batterie se charge. Si bien que, dans la majeure partie des cas, on limite l’intensité grâce à une résistance montée en série. La meilleure méthode pour charger correctement une batterie est sans aucun doute celle qui consiste à réguler son courant et, pour ce faire, il faut agir sur la tension du chargeur.
Notre dispositif stabilisateur est très simple et permet d’assurer la régulation en sortie pour des valeurs de 1,4 à 37 volts, ceci pour une intensité comprise entre 10 et 500 mA. En entrée, on peut appliquer de 5 à 40 V, toujours en courant continu, bien entendu.
Ce système peut être utilisé pour de petites batteries, mais aussi comme régulateur de tension pour alimenter de petits appareils tels que caméscopes CCD, récepteurs radio, enregistreurs, appareils utilisés dans les voitures et, bien sûr, pour des panneaux solaires de petites dimensions.

Rapide coup d’œil au schéma
Pour ce qui concerne la structure du circuit, plutôt qu’un long discours, mieux vaut se référer au schéma donné en figure 1.
Décrivons-le tout de suite.
Les composants utilisés sont peu nombreux, étant donné que tout se base sur le célèbre régulateur intégré LM317T (en version TO220) vendu dans le commerce depuis quelques décennies ! Il est utilisé dans tous les cas où on a besoin d’un stabilisateur linéaire et précis.
Notre dispositif permet d’ajuster finement la différence de potentiel en sortie, ceci pour des valeurs comprises entre 1,25 et 37 volts environ, avec un maximum de 40 volts.
Ce circuit intégré, produit par National Semiconductor (mais également par Motorola, ST, etc.), est en fait un régulateur de tension continu positif, facile à mettre en oeuvre à l’aide de la formule mathématique fournie par le constructeur.
Extérieurement, il se présente dans un boîtier plastique ou métallique TO220 comme celui des transistors de puissances.
Ses trois broches sont IN, OUT et ADJ :
- IN (entrée) reçoit la tension d’entrée,
- OUT (sortie) fournit la tension stabilisée choisie en fonction du potentiel appliqué sur la troisième, - ADJ (réglage) est polarisée de façon à fixer la tension de sortie.
Dans notre montage, ce régulateur travaille dans une configuration typique, avec une référence déterminée par R1, R6 et par la résistance dynamique générée par le transistor T1. Ce dernier, sert également de limiteur de courant puisqu’il intervient sur l’entrée ADJ en la mettant immédiatement à la masse lorsqu’il apparaît une surconsommation.
Pour comprendre le fonctionnement du régulateur, il faut avant tout considérer le concept de base qui lie la tension de sortie (Vo) à la tension interne (Vref) et aux autres paramètres décrits ci dessous :



Vo = Vref x (1 + R2/R1) + (Iadj x R2)
Vref est une constante de 1,25 volt interne propre au LM317 et constitue le potentiel de référence, Iadj est le courant qui circule sur la broche ADJ, alors que les résistances R1 et R2 sont respectivement situées entre OUT et ADJ et entre ADJ et la masse d’entrée.
Dans cette formule, R2 représente, pour notre application, l’ensemble R6, T1, R2, R3, R5, R4. Le calcul donne un résultat en volts si Vref est en volts, Iadj en ampères et R1 et R2 en ohms.
Pour donner un exemple, si nous prenons deux résistances égales à 10 kilohms, nous voyons que le composant fournit :

Vo = 1,25 V x (1 + 10 kΩ/10 kΩ) + (100 mA x 10 kΩ)   = 1,25 V x (1 + 1) + 1 V   = 2,5 V + 1 V = 3,5 V

De ce rapide calcul, nous pouvons faire deux observations : avant tout, la sortie dépend étroitement du rapport entre la résistance ADJ/masse et celle OUT/ADJ, ce qui signifie que plus cette dernière est grande plus la tension de sortie Vo va tendre vers Vref + (Iadj x R2).
La valeur de R2 influe, au contraire, beaucoup plus sur l’intensité circulant sur la broche ADJ.
Son action sur la tension de sortie est plus prépondérante que celle de R1.

Figure 1.

Figure 2.

Figure 3.



Liste des composants
R1 = 270 Ω
R2 = 100 Ω
R3 = 330 Ω
R4 = 1 Ω
R5 = 500 Ω trimmer multitour
R6 = 10 kΩ trimmer multitour
C1 = 470 μF 35V électrolytique
C2 = 470 μF 35V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
D1 = Diode 1N4007
D2 = Diode 1N4007
U1 = LM317T
T1 = Transistor NPN BC547B

Divers :
2 Borniers 2 pôles
1 Radiateur pour TO220
1 Circuit imprimé réf. S276
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

Voici un panneau solaire de 12 volts, 2 watts adapté pour être contrôlé par notre régulateur puisque l’intensité maximale de sortie du module ne dépasse pas les 500 mA.

Le transistor T1
T1 fonctionne en résistance variable et interrupteur. Il va permettre, d’une part, en fonction du réglage de R6, d’agir sur le courant Iadj afin de stabiliser la tension de sortie malgré les variations de charge et, d’autre part, en cas de courtcircuit sur la sortie, de réduire la différence de potentiel jusqu’à un minimum de 1,5 V.

La résistance R6
Comme nous venons de l’expliquer, R6 sert à la stabilisation et au réglage de la tension de sortie.

La résistance R5
Celle-ci sert à réguler le courant de charge. A l’aide de R5 vous pourrez maintenir un courant de charge jusqu’à 500 mA au maximum.
Si, par exemple, vous réglez R5 pour avoir un courant de charge de 300 mA, le réseau T1, R2, R3, R5 et R4 compensera la tension Vadj/masse pour maintenir ce courant même si la charge varie.

Figure 4 : Application du régulateur dans la charge d’une batterie par panneau solaire.

Simple schéma de connexion pour utiliser le dispositif comme régulateur de charge pour des équipements solaires. Réglez R5 et R6 de façon à obtenir la tension et l’intensité désirées.

Figure 5 : Application du régulateur comme stabilisateur de tension.

Voici comment utiliser notre régulateur comme un stabilisateur de tension précis et fiable. Il convient de fixer la sortie dans un intervalle compris entre 1,4 et 37 volts. L’intensité peut être limitée à une valeur comprise entre 10 et 500 mA. La tension d’entrée continue (au moins 3 volts au-dessus de celle désirée en sortie) provient d’une alimentation quelconque et la «charge» est un système qui peut être un appareil radio portable, un instrument de mesure, etc. Le trimmer R6 régule la tension et R5, l’intensité.

Réalisation pratique
Maintenant que nous avons commenté le schéma électrique, passons à la description de la construction du régulateur.
La première chose à faire, est de réaliser le circuit imprimé en se servant du dessin représenté à l’échelle 1 en figure 3. Pour cela il faut faire une photocopie de bonne qualité sur mylar ou sur papier calque afin d’obtenir le film nécessaire à la photogravure.
Une fois le circuit imprimé gravé et percé, insérez et soudez les résistances ainsi que les deux diodes en respectant le dessin donné dans le plan de câblage.
Puis c’est au tour des deux trimmers et des condensateurs dont il faut bien respecter la polarité.
Insérez ensuite le transistor T1 qui doit être positionné comme sur le schéma d’implantation des composants.
Le régulateur LM317T doit être monté couché en prenant soin d’en appuyer la partie métallique sur un petit dissipateur de chaleur en aluminium profilé en forme «U».
Pour terminer, insérez et soudez les deux borniers bipolaires au pas de 5 mm sur les emplacements marqués «OUT» et «IN».
Dès à présent votre appareil est prêt à fonctionner. Pour l’essayer, vous pouvez l’alimenter à l’aide d’une batterie de 12 volts ou avec la sortie d’une alimentation non stabilisée en lui injectant un maximum de 40 Vcc.
Evidemment, la polarité est positive sur le +Vin et négative sur la masse (-Vin).
En cas d’inversion de polarité, la diode D1 protège le circuit.
Prenez ensuite un voltmètre positionné en continu sur 40 volts pleine échelle et connectez-en la pointe de touche du positif au + Vout et celle du négatif au –Vout. Lisez la valeur et essayez de tourner le curseur du trimmer R6 avec un petit tournevis plat. La tension doit varier et s’arrêter à 15 volts si vous alimentez la carte en 18 volts. La tension de sortie fera toujours 3 volts de moins que celle appliquée à l’entrée.
Pour l’emploi du régulateur, rappelezvous toujours que quel que soit le Vout que vous voulez obtenir, la tension d’entrée doit la dépasser d’au moins trois volts. Pour régler le courant, vous devez insérer, en série sur la sortie, un ampèremètre sur le calibre 1 A, puis, ceci fait, en agissant sur le trimmer R5, notez que l’on peut régler facilement la valeur du court-circuit entre 10 et 500 mA.
Si vous devez charger une batterie en limitant l’intensité à 0,2 A par exemple, réglez le curseur R5 jusqu’à ce que vous lisiez 200 mA. Vous serez ainsi certain qu’un tel seuil ne sera jamais dépassé. Evidemment, il est nécessaire de calibrer R6 de façon à avoir en sortie du circuit une tension légèrement supérieure (15 % en plus suffisent…) à la tension nominale de l’accumulateur.
Si ce dernier est de 6 volts imposez environ 7 volts, s’il est de 12 volts, donnez-lui en un peu moins de 14 volts, etc.
Naturellement le réglage de R6 est toujours fait à vide c’est-à-dire avec la sortie déconnectée.