Diviseur de tension et régulateur Zener : choisir les composants

Obtenir 3,3 V à partir de 12 V, ramener une tension dans la plage d’un convertisseur analogique-numérique, ou tirer une tension fixe d’une alimentation qui varie : l’onglet « Pont de résistances » cherche les paires normalisées les plus proches du rapport voulu, l’onglet « Diode Zener » dimensionne la résistance série, la puissance de la Zener et la régulation obtenue.

La formule

Vout = Vin × R2 / (R1 + R2)
R1 = R2 × (Vin / Vout − 1)

Pour chaque valeur R2 de la série, l’outil calcule la valeur R1 idéale et teste les deux valeurs normalisées qui l’encadrent. Les paires sont classées par erreur sur la tension de sortie ; à erreur égale, la paire dont le courant est le plus proche du milieu de la plage demandée passe devant.

Le pire cas

Avec des résistances à ± t, la sortie est la plus basse quand R1 est au maximum et R2 au minimum, et inversement :

Vout min = Vin × R2(1 − t) / (R1(1 + t) + R2(1 − t))
Vout max = Vin × R2(1 + t) / (R1(1 − t) + R2(1 + t))

Une paire E24 « exacte » à 0,03 % près reste donc à quelques pour cent près en pratique : pour une référence précise, il faut une série fine (E96, E192) ou un ajustable.

Limites

• La charge branchée sur la sortie est en parallèle avec R2 : elle doit être grande devant R2, sinon la tension chute. Pour un convertisseur analogique-numérique, on vise une impédance de pont compatible avec le temps d’échantillonnage de son entrée.
• Un pont n’est pas une alimentation : pour fournir du courant, il faut un régulateur.

Version Zener : une tension fixe qui ne dépend plus de V_in

Un pont de résistances divise : si V_in varie de 20 %, la sortie aussi. En remplaçant R2 par une diode Zener polarisée en inverse, la sortie reste proche de V_Z tant que la Zener conduit assez. C’est le régulateur le plus simple qui soit, utile pour une référence, une alimentation de quelques milliampères ou une protection d’entrée.

R_S max = (Vin min − V_Z) / (I_charge max + I_Z min)
I_Z max = (Vin max − V_Z) / R_S − I_charge min
P_Z     = V_Z × I_Z max
P_RS    = (Vin max − V_Z)² / R_S

L’outil prend la plus grande valeur normalisée sous R_S max : la Zener garde au moins I_Z min. dans le cas le plus défavorable (entrée basse, charge maximale), et le courant gaspillé reste le plus faible possible. Il recalcule ensuite les quatre coins de fonctionnement avec la résistance dynamique r_Z de la diode : V_Z est donnée au courant de test I_ZT, et la tension monte de r_Z × (I_Z − I_ZT) au-delà.

Ce qu’il faut surveiller

• La charge débranchée : tout le courant de R_S passe alors dans la Zener. C’est ce cas, combiné à V_in maximale, qui fixe sa puissance, pas le fonctionnement nominal.
• La puissance nominale d’une Zener est donnée à 25 °C, souvent sur une carte de test généreuse : au-delà de la moitié, regardez la courbe de déclassement.
• La régulation vaut r_Z / (R_S + r_Z) : avec r_Z = 10 Ω et R_S = 300 Ω, 3 % des variations d’entrée passent en sortie. Une Zener régule, elle ne stabilise pas comme un régulateur intégré.
• La tension : sous 4,7 V, le coude est mou et la diode fuit bien avant V_Z ; entre 5 et 6,2 V, le coefficient de température passe près de zéro ; au-delà, il devient positif (environ +0,1 %/K).
• Le rendement est mauvais par principe : au-delà de quelques dizaines de milliampères, un transistor ballast (Zener sur la base, sortie sur l’émetteur, V_Z − 0,65 V) ou un régulateur LDO font mieux. Pour une référence précise, une référence ajustable (TL431) ou à bande interdite remplace avantageusement la Zener.