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.
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.
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).
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 :
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.
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 2
avec :
Vr
= Tension de ronflement
I
= Courant débité dans la charge en mA
C1 =
Valeur capacitive du condensateur en µF
2
= 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 2
= (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 2
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 2
= (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 1500 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.
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.
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.
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.
Cellule de Filtrage avec Self d'entrée
2
avec :
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