Créée le, 24/05/2005

 Mise à jour le, 24/07/2015

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Filtre de Nivellement et Tension de Ronflement :




 

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3. - FILTRE DE NIVELLEMENT ET TENSION DE RONFLEMENT

Nous avons vu qu'en insérant un condensateur électrochimique, entre les bornes de sortie de l'alimentation, on pouvait réduire considérablement les "creux", entre deux impulsions de courant, c'est-à-dire Niveler la forme de la tension continue.

Le condensateur utilisé se comporte donc comme un "réservoir", absorbant les pointes de tension et restituant celles-ci au moment voulu, c'est-à-dire lorsque le redresseur est bloqué, lors des alternances négatives.

Cependant, malgré ce condensateur, la tension de sortie est encore trop ondulée, pour pouvoir alimenter un montage électronique.

Avec le montage simple alternance, la fréquence des "creux", c'est-à-dire la fréquence de l'ondulation est de 50 Hz (le montage ne redresse en effet qu'une alternance par période et la fréquence de la tension est de 50 Hz).

Avec le montage double alternance, la fréquence de l'ondulation est de 100 Hz.

Ce fait est mis en évidence figure 17, où par simplicité, on a représenté les quatre périodes de la tension.

Redressement_double_alternance.GIF

Le régime des charges et décharges successives, étant plus rapide dans le cas du montage à double alternance, il en résulte que le nivellement est plus facile.

De façon plus technique, on peut dire que pour une valeur donnée du condensateur, la réactance capacitive, c'est-à-dire l'impédance présentée par le condensateur à la composante alternative (ondulation due aux impulsions de courant) est d'autant plus faible que la fréquence de la composante à éliminer est élevée.

Nous avons en effet :

XC  = 1 / cw,   avec :

XC = réactance capacitive

c     = valeur du condensateur en farad

w   = 2  x n x F (avec F en Hertz) = 6,28 x F.

Après avoir disposé un condensateur aux bornes de sortie de l'alimentation, le courant dans la charge a l'allure représentée figure 18-a pour un circuit simple alternance, et figure 18-b pour un circuit double alternance.

Courbes_charge_et_decharge_S_A_D_A.GIF

Aussi, afin de niveler au maximum la tension, on utilise généralement à la sortie des circuits de redressement, des cellules de filtrages.

Celles-ci sont connues sous le nom de Filtres PASSE-BAS.

Un filtre passe-bas est un dispositif affaiblissant au maximum possible les fréquences supérieures à une valeur donnée.

Autrement dit, un filtre passe-bas laisse passer toutes les fréquences comprises entre zéro (courant continu) et une fréquence f0, dite fréquence d'arrêt et bloque toutes les fréquences supérieures à f0.

Ce filtre, dans le cas d'une alimentation, est composé de deux condensateurs chimiques et d'un bobinage ou d'une résistance (figure 19).

Cellule_de_filtrage.GIF

Le fonctionnement de l'ensemble est très facile à comprendre.

Nous avons vu l'effet du premier condensateur C1. Celui-ci se charge lors des impulsions de courant et se décharge, lorsque la tension disparaît ou tend à diminuer.

Avec la cellule de filtrage, le courant doit maintenant traverser le bobinage avant d'atteindre la charge.

Or, ce bobinage a la propriété de combattre les variations du courant. Il en résulte donc une amélioration de la forme de la tension de sortie US.

D'autre part, le condensateur C2 relié à la sortie de L (ou R) se comporte de la même façon que C1 et réduit donc encore la composante alternative.

En résumé, la composante alternative à la sortie du redresseur rencontre deux éléments : C1 et L (qui, répétons-le peut-être remplacé par une résistance).

Or, pour cette composante alternative, C1 présente une réactance capacitive inférieure à la réactance inductive de L ou la résistance de R.

En effet, en effectuant le calcul sur la base de C1 = 50 µF (valeur généralement adoptée), L = 4 H et F = 50 Hz, on obtient :

Calculs_XC_et_XL.GIF

En remplaçant L = 4 H par une résistance de 1256 W, on pourrait s'attendre à obtenir le même résultat au point de vue atténuation de la composante alternative.

En pratique, le résultat est moins bon, car la bobine a la propriété de s'opposer aux variations de courant, ce qui n'est pas le cas d'une résistance. Cependant, les cellules RC sont suffisamment efficaces en pratique.

A l'aide du même exemple, on voit que dans le montage double alternance, où la composante alternative a une fréquence de 100 Hz, le résultat est considérablement amélioré.

Calculs_XC_et_XL_pour_100_Hz.GIF

Bien entendu, le condensateur C2 a le même effet, vis à vis de la charge de l'alimentation, que le condensateur C1 vis à vis de L ou de R.

Pour le calcul de l'atténuation de la composante alternative (celle-ci provoquant un ronflement dans un amplificateur BF, on dit aussi tension de ronflement), on doit tenir compte de la valeur de la tension continue de sortie US et aussi du courant délivré par l'alimentation et absorbé par la charge.

Il est bien évident, en effet, que la composante alternative dépend de la tension continue de sortie, car plus celle-ci est élevée, plus la tension alternative nécessaire, est d'amplitude importante.

Quant au courant délivré par l'alimentation, on comprend tout aussi facilement que, plus celui-ci est faible, plus le condensateur (lors de sa décharge) est en mesure de maintenir un débit constant.

Le calcul théorique de l'atténuation, fort complexe, doit tenir compte des temps de charges et de décharges du condensateur, en fonction des paramètres Tension et Courant.

Nous n'aborderons pas le détail de ces calculs, sortant du cadre de cette leçon, d'autant plus que les résultats obtenus sont souvent erronés en pratique, en fonction de la nature de la charge pouvant être partiellement résistive, inductive et capacitive.

Cependant, pour avoir une idée approximative, parfaitement valable en pratique, on peut calculer simplement la tension de ronflement à l'aide des formules ci-dessous.

a) - Circuit simple alternance, avec filtre ne comportant qu'un seul condensateur :

Vr = (4 x I / C1) x racine.gif     avec :

  • Vr    = Tension de ronflement 

  • I       = Courant débité dans la charge en mA

  • C1  = Valeur capacitive du condensateur en µF

  • racine.gif2 = 1,41

Exemple : Soit une alimentation débitant un courant de 60 mA. Le condensateur de filtre a une valeur de 50 µF.

Vr = (4 x I / C1) x racine.gif2 = (4 x 60 / 50) x 1,41 = 6,7 Volts.

b) - Circuit double alternance, avec filtre ne comportant qu'un seul condensateur :

Vr = (4 x I / C1) 

Exemple : Mêmes données que dans l'exemple précédent.

Vr = (4 x I / C1) = 4 x 60 / 50 = 4,8 Volts

c) - Circuit simple alternance, avec filtre comportant deux condensateurs et une bobine (voir figure 19).

Vr = (4 x I / C1 x C2 x L) x racine.gif2    avec :

  • I en mA

  • C en µF

  • L en H (henry).

Exemple : Mêmes données que dans l'exemple précédent, avec en plus C2 = 50 µF et L = 2 H.

Vr = (4 x I / C1 x C2 x L) x racine.gif2 = (4 x 60 / 50 x 50 x 2) x 1,41 = 67 mV

d - Circuit double alternance, avec filtre comportant deux condensateurs et une bobine (voir figure 19) :

Vr = 4 x I / C1 x C2 x L

Exemple : Mêmes données que dans l'exemple précédent :

Vr = 4 x I / C1 x C2 x L = 4 x 60 / 50 x 50 x 2 = 48 mV

Dans les deux dernières formules, on doit remplacer L (valeur en Henry de la bobine) par R (valeur de la résistance mise à la place de la bobine).

Dans ce cas, on exprime alors :

  • I en mA

  • C en µF

  • R en kW

Exemple : Même exemple que précédemment, mais avec R = 1 200 W à la place de L = 2 H.

Vr = 4 x I / C1 x C2 x R = 4 x 60 / 50 x 50 x 1,2 = 80 mV

Cette valeur de 80 mV, représentant la tension alternative, superposée à la tension continue de sortie est parfaitement admissible dans la grande majorité des cas.

Aussi, le fait d'utiliser une bobine plutôt qu'une résistance dépend surtout de la chute de tension admissible, provoquée par la cellule de filtrage.

En examinant la figure 19, on peut voir que la totalité du courant absorbé par la charge (qui sera branché aux bornes de sorties US) passe dans la bobine L ou dans la résistance R.

Il en résulte évidemment une chute de tension (U = R x I) et de ce fait la tension continue US disponible, est moins importante.

Prenons un exemple avec des valeurs courantes.

Une bobine de filtrage de 4 Henrys par exemple, d'excellente qualité, présente une résistance ohmique (due à l'enroulement constituant le bobinage) de l'ordre de 40 W.

A la place de cette bobine, on peut prendre une résistance d'une valeur de 1 500 W environ.

Si le courant débité est de 60 mA par exemple, dans le premier cas, la chute de tension sera de :

U = R x I = 40 x 0,06 = 2,4 V

Ainsi, avec une tension continue de sortie à vide de 250 Volts, la tension US en charge sera de :

250 - 2,4 = 247,60 Volts environ

Avec la résistance de 1 500 W, et dans les mêmes conditions, la chute de tension sera de :

U = R x I = 1500 x 0,06 = 90 Volts

La tension US en charge aura alors pour valeur :

250 - 90 = 160 Volts

Si le courant demandait était plus important encore (par exemple 100 mA au lieu de 60 mA), la chute de tension serait prohibitive (1500 x 0,1 = 150 Volts).

En conclusion, on utilise une résistance de filtrage (élément peu coûteux et peu encombrant) lorsque le courant que doit fournir l'alimentation est relativement faible.

Dans le cas contraire, on adopte une bobine de filtrage.

En pratique, on trouve des alimentations avec cellules CRC, pour des courants maximum de l'ordre de 60 à 80 mA.

Au-delà de ces valeurs, on trouve des cellules CLC.

Dans les deux cas, lorsque l'alimentation doit fournir du courant à plusieurs charges, on peut rencontrer plusieurs cellules de filtrage en série.

On évite ainsi l'influence d'une charge sur l'autre (on parle alors du découplage des circuits).

Le montage se présente comme indiqué figure 20.

Cellule_de_filtrage_en_serie.GIF

Dans cet exemple, si :

  • L = résistance ohmique = 40 W

  • R1 = 1000 W 

  • R2 = 500 W

et si les courants demandés sont de :

  • HT1 = 100 mA

  • HT2 = 50 mA

  • HT3 = 20 mA

Nous aurons, dans le cas d'une tension continue de sortie à vide de 250 Volts :

  • HT1 = 250 - (40 x 0,1) = 246 Volts

  • HT2 = 246 - (1000 x 0,05) = 196 Volts

  • HT3 = 196 - (500 x 0,02) = 186 Volts

Bien entendu, chaque cellule améliore le filtrage et les effets s'ajoutant ; la tension de ronflement sur HT3 sera plus faible que sur HT2, elle-même moins élevé que sur HT1.

Enfin, comme il existe des circuits pouvant être alimentés avec une tension peu filtrée, on peut prélever celle-ci directement sur les cathodes, aux bornes de C1 (HT0).

En négligeant la résistance interne des redresseurs, la chute de tension sera nulle, donc : HT0 = 250 Volts.

HAUT DE PAGE 4. - CELLULE DE FILTRAGE AVEC SELF D'ENTRÉE

Dans les cellules que nous avons examinées, le premier élément était toujours le condensateur C1.

Pour cette raison, ces cellules sont dites : cellules à entrée capacitive.

Dans la grande majorité des cas, ce sont celles-ci que l'on trouve sur les alimentations.

Cependant, sur certains montages, on place la SELF comme élément d'entrée.

Le schéma de ce genre de circuit est représenté figure 21.

Alimentation_avec_entree_Inductive.GIF

Ce type de cellule est adopté pour les tubes à gaz et à vapeur de mercure (Électronique industrielle).

Avec ceux-ci, de faible résistance interne, l'adoption d'un condensateur de forte capacité, donnerait lieu lorsque celui-ci est déchargé, à un courant de charge excessif, pouvant détruire ces tubes.

Le filtre à SELF en TÊTE, diminue le taux d'ondulation AVAL (après la bobine) mais augmente le taux d'ondulation AMONT.

Le ronflement résiduel en sortie de filtre, se calcule comme précédemment, à l'aide de la formule :

Vr = 4 x I / L x C

Pour avoir une tension continue de sortie constante, avec une charge faible, la self d'entrée doit avoir une valeur minimum en henrys, beaucoup plus grande que celle nécessaire pour une charge normale.

Or, une valeur élevée de L, signifie que le circuit magnétique est encombrant (beaucoup de fer), et que l'enroulement (beaucoup de cuivre), présente une résistance ohmique non négligeable.

Comme il convient de réduire cette résistance pour éviter une chute de tension et une dissipation de puissance inutile, on met d'habitude une self glissante, c'est-à-dire une bobine avec un entrefer réduit, ou même nul.

Une telle self, présente bien la valeur demandée lorsque le débit est faible, mais tombe au tiers environ ou même plus, lorsque le débit est normal.

Ce phénomène est dû à la saturation partielle du fer, dans lequel le flux magnétique demeurant presque constant ne peut pas induire de force contre-électromotrice dans la bobine, qui perd ainsi son pouvoir de s'opposer aux variations de courant, c'est-à-dire perd de sa valeur inductive.

Précisons encore que dans les deux types de cellules (capacité ou self en tête), la bobine doit être prévue pour le courant maximum demandé.

Dans le cas contraire, il se produirait un échauffement (voire même la destruction) de l'enroulement.

Dans les cellules de filtrage avec capacité en tête, quand L est remplacé par une résistance, celle-ci doit pouvoir dissiper en chaleur, la puissance résultant de la valeur ohmique de R et du courant (P = R x I²).

Ainsi, dans le cas d'une alimentation débitant 80 mA, il conviendra de choisir une self de filtrage capable de supporter cette intensité.

Si la self est remplacée par une résistance de 1500 W par exemple, celle-ci devra pouvoir dissiper une puissance de :

P = R x I² = 1500 x 0,08² = 9,6 Watts soit 10 Watts en pratique.

Nous allons voir maintenant d'autres circuits d'alimentation, d'usage courant dans les différentes applications de l'électronique.

 



 

  




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