Comment la chaleur est calculée
Un régulateur linéaire fait passer tout le courant de la charge et absorbe la différence entre l’entrée et la sortie. Toute cette puissance devient de la chaleur, plus le petit courant que le régulateur consomme pour fonctionner (son courant de repos).
P = (Vin − Vout) × Icharge + Vin × Iq
Tj = Ta + P × θJA
η = (Vout × Icharge) ÷ (Vin × (Icharge + Iq))
Exemple : un AMS1117-3.3 sous 12 V qui alimente un ESP32 avec le Wi-Fi actif (120 mA). P = 8,7 V × 0,12 A + 12 V × 5 mA = 1,1 W. En SOT-223, à 90 °C/W, la jonction atteint 25 + 99 = 124 °C, juste à la limite de 125 °C. Le rendement est de 26 % : les trois quarts de la puissance partent en chaleur.
Dropout : la tension d’entrée minimale
Pour fonctionner, un régulateur a besoin d’un peu de tension à ses bornes : c’est la tension de déchet, ou dropout. Sous la tension de sortie plus le dropout, la sortie suit l’entrée vers le bas. Les composants bipolaires comme l’AMS1117 et le 7805 demandent environ 1,1 V et 2 V ; les LDO CMOS comme le MCP1700, de quelques dizaines à quelques centaines de millivolts, qui augmentent avec le courant. La vérification utilise le courant de crête et la tension d’entrée minimale, car c’est là que le régulateur décroche en premier.
Vin,min = Vout + Vdropout(Icrête)
Exemple : un AMS1117-3.3 demande 3,3 + 1,1 = 4,4 V. Sur l’USB (4,75 V ou plus), il fonctionne ; sur une cellule Li-ion, qui descend de 4,2 V à 3,0 V, il ne régule jamais correctement.
Régulateurs en TO-220 et dissipateurs
Tj = Ta + P × (θJC + θCS + θSA)
θSA ≤ (Tjmax − 25 °C − Ta) ÷ P − θJC − θCS
À l’air libre, un 7805 en TO-220 a une θJA de 50 °C/W : à 25 °C ambiants, il atteint 125 °C avec 2 W. Sur un dissipateur, la chaleur traverse le boîtier (θJC, 5 °C/W), le contact (θCS, environ 1 °C/W avec de la pâte thermique, valeur supposée ici) et le dissipateur (θSA, d’après sa datasheet). Le calculateur dimensionne le dissipateur pour garder 25 °C de marge sous la limite.
Les régulateurs de la liste
| Composant | Boîtier | Dropout | Repos | Courant max | Entrée max | θJA |
|---|
| AMS1117 | SOT-223 | 1,1 V / 800 mA | 5 mA | 900 mA | 15 V | 90 °C/W |
| LM1117 | SOT-223 | 1,2 V / 800 mA | 5 mA | 800 mA | 15 V | 61,6 °C/W |
| 78xx (L7805…) | TO-220 | 2 V / 1 A | 8 mA | 1,5 A | 35 V | 50 °C/W |
| 78Lxx (78L05…) | TO-92 | 1,7 V / 40 mA | 3,8 mA | 100 mA | 30 V | 156 °C/W |
| LM317 | TO-220 | 2 V / 1 A | 5 mA | 1,5 A | 40 V (entrée − sortie) | 50 °C/W |
| MCP1700 | SOT-23 | 178 mV / 250 mA | 1,6 µA | 250 mA | 6 V | 336 °C/W |
| MCP1700 | TO-92 | 178 mV / 250 mA | 1,6 µA | 250 mA | 6 V | 160 °C/W |
| HT73xx (HT7333…) | SOT-89 | 90 mV / 40 mA | 4 µA | 250 mA | 12 V | 200 °C/W |
| XC6206 | SOT-23 | 250 mV / 100 mA | 1 µA | 200 mA | 6 V | 200 °C/W |
| AP2112K | SOT-23-5 | 250 mV / 600 mA | 55 µA | 600 mA | 6 V | 184 °C/W |
| TLV755P | SOT-23-5 | 150 mV / 500 mA | 25 µA | 500 mA | 5,5 V | 231 °C/W |
Valeurs typiques à 25 °C tirées des datasheets des fabricants (AMS, Texas Instruments, STMicroelectronics, Microchip, Holtek, Torex, Diodes). Le dropout maximal garanti est plus élevé : 1,3 V pour l’AMS1117. Chaque fabricant mesure la θJA sur sa propre carte de test, donc les valeurs ne se comparent qu’approximativement.
Pourquoi la θJA n’est qu’un point de départ
Les petits boîtiers évacuent leur chaleur par le cuivre sur lequel ils sont soudés. TI a mesuré le LM1117 en SOT-223 à 136 °C/W avec une pastille d’environ 8 mm² et à 66 °C/W avec 6,5 cm² (un pouce carré) de cuivre ; AMS indique de 55 à 80 °C/W pour l’AMS1117 selon la surface de cuivre. La valeur de la datasheet donne l’ordre de grandeur, le cuivre de votre carte décide du reste.
Linéaire ou à découpage ?
Un régulateur linéaire est bon marché, petit et silencieux : sa sortie n’a pas d’ondulation de découpage, c’est pourquoi on l’utilise encore pour les ADC, l’audio et la radio, souvent après un convertisseur à découpage. Il se justifie quand la différence de tension est faible ou le courant bas. Avec une grosse chute (de 12 V à 3,3 V) ou des centaines de milliampères, un convertisseur abaisseur gaspille beaucoup moins. Sur une batterie qui dort presque tout le temps, c’est le courant de repos qui compte : 1,6 µA pour un MCP1700, environ 5 mA pour un AMS1117.
Questions fréquentes
Comment calculer la puissance dissipée par un régulateur linéaire ?
P = (Vin − Vout) × Icharge + Vin × Iq. De 12 V à 3,3 V sous 120 mA, cela fait 8,7 V × 0,12 A = 1,04 W, plus 12 V × 5 mA = 0,06 W pour un AMS1117 : 1,1 W au total. Multipliez par la θJA et ajoutez la température ambiante pour obtenir la température de jonction.
Pourquoi mon AMS1117 chauffe-t-il autant ?
Parce qu’il brûle toute la différence de tension. En 12 V sous 120 mA, il dissipe 1,1 W, et en SOT-223 à 90 °C/W cela fait environ 100 °C au-dessus de l’ambiante. En 5 V, la même charge donne 0,23 W et environ 21 °C au-dessus de l’ambiante. Baissez la tension d’entrée ou utilisez un convertisseur abaisseur.
Un AMS1117 peut-il fournir 3,3 V à partir d’une batterie Li-ion ?
Non. Il lui faut environ 1,1 V de marge, donc au moins 4,4 V en entrée, alors qu’une cellule Li-ion descend de 4,2 V à 3,0 V. Utilisez un LDO CMOS à faible dropout (le TLV755P a 150 mV à 500 mA, il régule donc jusqu’à environ 3,45 V) ou, pour exploiter toute la batterie, un convertisseur buck-boost comme le TPS63802.
Quel dissipateur faut-il pour un 7805 ?
De 12 V à 5 V sous 500 mA, il dissipe 7 V × 0,5 A + 12 V × 8 mA = 3,6 W. Pour rester 25 °C sous la limite de 125 °C à 25 °C ambiants, la θSA doit valoir au plus 75 ÷ 3,6 − 5 − 1 = 15 °C/W. Sans dissipateur, il monterait à 25 + 3,6 × 50 = 205 °C et la protection thermique se déclencherait.
Peut-on remplacer un 7805 par un module à découpage ?
Oui. Les modules Recom R-78E et Traco TSR 1 ont les broches dans le même ordre (entrée, masse, sortie), tiennent dans l’empreinte TO-220 et se passent de dissipateur. Vérifiez la plage d’entrée (R-78E5.0-0.5 : 7–28 V, 500 mA) et montez les condensateurs demandés par la datasheet du module.
Peut-on alimenter un ESP32 directement sur batterie ?
Sur une cellule LiFePO4, oui, avec précaution : les modules ESP32 acceptent de 3,0 à 3,6 V (3,6 V est aussi leur maximum absolu) et la cellule reste autour de 3,2–3,3 V pendant presque toute sa décharge. Une recharge standard se termine à 3,65 V : utilisez donc un chargeur qui s’arrête sous 3,6 V et coupez le module à 3,0 V. Sur une cellule Li-ion, non : à 4,2 V, elle dépasse largement le maximum.
Un régulateur linéaire est-il parfois meilleur qu’un abaisseur ?
Oui : quand la chute de tension est faible (de 5 V à 3,3 V sous un faible courant), quand le circuit est sensible au bruit (ADC, audio, radio), ou quand l’encombrement et le coût comptent plus que le rendement. Une combinaison courante : un abaisseur proche de la tension visée, suivi d’un LDO à faible bruit.