Le régulateur de tension LM317

Obtenir une tension fixe à partir d’une batterie ou autre

Le LM317 est un régulateur de tension linéaire. Cette famille de circuits intégrés permet, à partir de n’importe tension d’entrée, de founir une tension de sortie fixe sur laquelle on peut tirer du courant.

Utilisation

En pratique, ce genre de régulateur peut être utilisé afin de fournir une source d’alimentation stable, par exemple du 5V, à partir d’une batterie ou d’une pile qui par définition va voir sa tension varier en fonction de son état de charge.

Pourquoi utiliser un régulateur et pas un montage de type pont diviseur de tension avec de simple résistances qui nous permet également d’avoir une tension fixe ? Tout simplement parce-que ce genre de montage n’est pas prévu pour délivrer du courant (qui plus est variable) et sert uniquement à établir une référence de tension qui pourra par exemple être lue par un ADC ou un autre circuit analogique impliquant un courant très faible (suiveur, comparateur, …).

Caractéristiques techniques

En réalisé le monde n’est pas rose et on ne peut pas tout faire avec ce régulateur qui dispose de certaines contraintes afin de fonctionner correctement.

Tout d’abord, la limite de courant. Ce régulateur permet de délivrer un courant de 1,5 A au maximum, ce qui est suffisant pour de nombreux circuits n’impliquant pas de composants gourmands. Afin de supporter cet ampérage il est obligatoire de monter un radiateur sur le boitier du composant pour l’aider à dissiper la chaleur produite ; néanmoins pour un usage plus modéré impliquant quelques dizaines de miliampères je me suis permis de ne pas monter de radiateur et le boitier n’a pas particulièrement chauffé.

Ensuite, parlons tension. Il est obligatoire d’avoir une source de tension possédant une différence de potentiel supérieure d’au moins 3 V à la tension que vous voulez sortir du régulateur ; c’est une contrainte matérielle. Par exemple, si vous voulez sortir 5 V de votre régulateur il faudra alors une source de tension d’au moins 5 + 3 = 8 V (donc une batterie 9 V peut faire l’affaire, mais pas 4 piles de 1,5 V).

Enfin, le courant minimal. En effet, le régulateur doit délivrer au minimum environ 5 mA afin de garantir sa stabilité de tension, au début je n’avais pas remarqué cette subtilité et en effet le montage se met à chauffer très fort si on ne respecte pas cette contrainte en laissant tourner le régulateur à vide. Une petite résistance en sortie du régulateur permettra de garantir ce courant minimum afin d’éviter tout endommagement du circuit.

Si on résume tout ça, on obtient les contraintes suivantes :

  • \(I_{min} = 5 mA\)
  • \(I_{max} = 1,5 A\)
  • \(V_{in}-V_{out}=3V\)

Utilisation

Afin de pouvoir utiliser le régulateur dans de bonnes conditions, il va falloir ajouter quelques composants annexes comme le montre le schéma suivant :

Le LM317 relié à ses composants annexes

Schéma de câblage du LM317 en régulateur de tension

On remarque que j’ai oublié de rajouter la résistance de charge de \(V_{out}\) à GND qu’il ne faudra pas oublier pour éviter de tout faire cramer comme décrit précedemment.

La formule (simplifiée) déterminant la tension de sortie aux bornes du régulateur est la suivante :

\begin{equation*} V_{out}=1,25\cdot(1+\frac{RL}{RH}) \end{equation*}

On remarque qu’elle ne dépend effectivement pas de la tension d’entrée, ce qui garanti la même tension même si la batterie est à 8,8 V au lieu de 9,2 V par exemple.

Si on prend \(RH = 3,3k\) et \(RL = 10k\) on a \(V_{out}=5V\) peut importe la valeur de \(V_{in}\).

Voici le petit PCB que j’ai réalisé sur de la plaque à trous (faute de mieux) avec un potentiomètre me permettant d’avoir une tension d’environ 2V à 5V à partir d’une pile 9V :

Un proto de PCB pas encore terminé

Un proto de PCB pas encore terminé

On remarquera la résistance en sortie du condensateur de 1 µF afin de permettre au circuit de tourner à vide. Il ne manque plus qu’à rajouter un bornier.

Réflexion sur la pertinence d’utiliser un LM317

Vous avez désormais toutes les clés en main afin d’utiliser ce composant.

Mais est-il vraiment adapté à vos besoins ?

Tension fixe

Si vous voulez une source de tension fiable afin de pouvoir alimenter des circuits fonctionnant sur une tension standard comme du 5 V ou du 3,3 V je vous conseille plutôt d’acheter des régulateurs fixes qui permettent de délivrer directement ces tensions plutôt que ces régulateurs linéaires (bon moi je les ai déjà acheté donc bon je m’en sert pour dépanner mais c’est pénible car il faut faire tout le montage).

Rendement

De plus, ce composant n’est pas très économe en énergie. En effet, il va dissiper la différence de tension \(V_{in} - V_{out}\) multipliée par l’intensité \(I_{out}\) sous forme de chaleur (!).

Supposons que vous voulez utiliser ce composant pour alimenter un circuit qui a les caractéristiques suivantes :

  • Tension d’entrée de 9 V
  • Tension de sortie de 5 V
  • Intensité de sortie de 250 mA

Alors on peut effectuer les calculs suivants :

  • La puissance du circuit 5 V est de \(0,250 * 5 = 1,25 W\)
  • La puissance dissipée dans le LM317 sous forme de chaleur est de \(0,250 * (9 - 5) = 1 W\)
  • La puissance totale consommée est de \(1,25 + 1 = 2,25W\)

Le rendement du LM317 sera donc de \(\frac{1,25}{2,25} = 0,56\), ce qui n’est pas terrible (environ la moitié de l’énergie consommée est perdue sous forme de chaleur dans le régulateur).

L'efficacité diminue exponentiellement en fonction de la tension d’entrée

Tracé de l’efficacité énergétique pour une tension de sortie de 5 V

Mais là où le bas blesse c’est quand la différence entre \(V_{in}\) et \(V_{out}\) devient plus importante. Si on utilise non plus une batterie 9 V mais une batterie 24 V à la place alors le rendement s’effondre.

  • La puissance du circuit 5 V est de \(0,250 * 5 = 1,25 W\)
  • La puissance dissipée dans le LM317 sous forme de chaleur est de \(0,250 * (24 - 5) = 4,75 W\)
  • La puissance totale consommée est de \(1,25 + 4,75 = 6W\)

Ce qui nous donne un rendement ridicule de \(\frac{1,25}{6} = 0,21\), sans parler des presque 5 W de chaleur qu’il va falloir dissiper en utilisant un radiateur correctement dimensionné.

Conclusion

Ce composant devrait donc être utilisé si vous avez besoin de faire varier la tension de sortie du régulateur à l’aide par exemple d’un potentiomètre et que la tension de sortie n’est pas trop éloignée de la tension d’entrée si vous cherchez l’efficacité.

Il serait tout indiqué dans la réalisation d’une alimentation variable pour de petits circuits analogiques par exemple ou comme je les utilise actuellement en alimentation 5 V à partir de pile 9 V si on ne possède pas de régulateur fixe.

J’ai abordé l’utilisation de ce composant en régulateur de tension mais il est également possible de le monter en régulateur de courant, ce qui devient intéressant pour alimenter des LEDs de puissance (quelques watts) ; peut-être une idée d’un autre article si on m’offre une LED de ce type… :noël:

Sources :

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