Dans cette leçon, nous reprenons
sous une forme plus pratique, toutes les notions déjà exposées sur le
redressement
de la tension alternative (voirjonction P.N.).
D'autre part, afin de faciliter une
recherche éventuelle, tous les montages
redresseurs
d'usage
courant, sont regroupés dans cette même leçon, via également les liens en
bas de page.
En électronique, quel que soit le
montage envisagé, celui-ci doit toujours être alimenté par une tension continue.
Si la source d'alimentation est une
batterie de piles ou d'accumulateurs, aucun problème ne se présente. En effet,
la batterie délivre directement la tension continue.
Cette solution n'est cependant pas
toujours applicable. La valeur de la tension demandée peut être élevée et le
courant important.
Dans ce cas, l'emploi d'une batterie
ou d'une série de batteries constituerait un système peu rentable et d'un
encombrement prohibitif.
On fait donc appel à la tension
secteur, qui, après
redressement et filtrage,
est en mesure de fournir le courant désiré.
Comme vous le savez, la tension
secteur est alternative et plus précisément sinusoïdale.
Celle-ci croît régulièrement de
la valeur zéro vers un maximum positif, puis décroît tout aussi régulièrement de ce maximum positif vers zéro, puis
vers un maximum négatif avant de revenir à une valeur nulle.
La forme d'onde de cette tension est représentée figure 1.
Le problème du
redressement, consiste à supprimer
l'une des alternances
et le plus souvent
l'alternance négative.
Dans ce cas, seule subsiste
l'alternance positive, permettant d'avoir une
tension continue positive.
Mais, on peut aussi
conserver
l'alternance négative
et
supprimer l'alternance positive, de façon à obtenir une
tension continue négative.
L'élément
actif, utilisé dans cette opération est appelé
REDRESSEUR.
Dans les cas les plus courants, il
s'agit d'une diode à vide ou à semi-conducteur pour les petites puissances,
d'une diode à gaz au mercure ou d'un ignitron pour les puissances élevées
(utilisation en électronique industrielle).
Quel que soit le redresseur utilisé,
le montage se présente comme indiqué figure 2.
1. 1. - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
Connaissant les propriétés des
diodes (voir leçons "Théorie"
et "semi-conducteurs"), le
principe du montage redresseur est simple.
a) -La diode conduit
pendant les
alternances positives
de la tension alternative du secteur (résistance négligeable).
b) -La diode ne conduit pas
pendant les
alternances négatives
de la tension alternative du secteur (résistance
pratiquement infinie).
Entre la cathode et la masse, on
obtient donc une tension ayant la forme indiquée figure 3.
Sur la figure 2, on voit que le
secondaire
du transformateur
est relié d'une part à la diode et d'autre part à la masse (partie métallique
du châssis). De ce fait, la tension de sortie est recueillie entre la cathode de la diode et la masse.
On peut bien entendu supprimer cette
liaison de masse. Dans ce cas, le montage se présente comme indiqué figure 4.
Le fait d'utiliser la masse du châssis
facilite cependant le câblage en évitant l'emploi d'un conducteur commun (conducteur reliant le point bas du secondaire, également
appelé "point froid" de la sortie).
La
tension
de sortie n'est toutefois pas vraiment continue. Elle se présente en effet sous
forme d'impulsion (voir figure 3).
Aussi, pour rendre cette tension
plus régulière, il est bon d'insérer entre les bornes de sortie, un condensateur électrochimique de forte valeur (de quelques microfarads à
plusieurs dizaines de microfarads dans le cas les plus courants).
Ce condensateur appelé condensateur
de filtrage, se charge à la valeur maximum de la tension alternative (on peut négliger
l'influence de la
résistance directe de la diode)
et se décharge lorsque la tension diminue et cesse d'exister (alternances négatives).
On peut encore améliorer la forme
de la tension de sortie, en utilisant, à la place d'un seul condensateur, un filtre
de Nivellement, composé de deux condensateurs et d'une bobine (ou
d'une résistance).
Nous étudierons ces filtres dans cette leçon.
Pour le moment, nous ne considérerons
que le condensateur se trouvant entre les bornes de sortie du montage, car
celui-ci intervient pour le choix du redresseur à utiliser dans le projet d'une alimentation.
Pour bien comprendre les
explications qui vont suivre, prenons un exemple numérique : soit 250 volts, la tension efficace délivrée par le secondaire du
transformateur.
La tension
continue à vide, c'est-à-dire la tension de sortie sans charge,
aura pour valeur :
Us = 0,45 x U efficace = 250 x 0,45 = 112,50 Volts.
Soit sensiblement la moitié de la
valeur efficace, ce qui est normal, étant donné que l'on ne redresse qu'une seule alternance.
Cependant, le condensateur se
chargera à la valeur de la tension maximum, soit :
U max = U eff x 2
= 250 x 1,41 = 352 Volts environ.
Aussi, pendant les alternances négatives,
lorsque l'anode se trouvera portée au potentiel négatif maximum, soit
- 352 Volts, la cathode, par l'intermédiaire du condensateur se
trouvera à + 352 Volts
(en considérant que le condensateur ne s'est pas déchargé).
On aura ainsi une
tension inverse de crête
de :
352 + 352 = 704 Volts
En régime normal, c'est-à-dire
avec une charge dans l'alimentation, la
tension inverse moyenne
n'atteindra pas cette valeurs.
En effet, pour maintenir le débit
de courant, le condensateur commencera à se décharger dès que l'alternance
positive de la tension alternative, ayant atteint son maximum, reviendra vers une valeur nulle.
En pratique, avec
une alimentation en charge, la tension continue de sortie sera égale à la
valeur de la tension alternative efficace appliquée.
En conclusion, lors du projet d'une
alimentation simple alternance, avec un condensateur de filtrage, on devra tenir compte des trois facteurs suivants :
a)Tension
inverse,
b)Courant maximum demandé,
c)Tension
d'isolement du condensateur.
Prenons un exemple : Élément
de calcul pour réaliser une alimentation simple alternance, délivrant un courant maximum de
400 mA
sous
100 Volts
:
a)
La
tension continue de sortie
étant égale à la tension alternative
efficace, il faudra utiliser un transformateur avec un secondaire pouvant délivrer
un courant d'au moins de
400 mA
et une tension de
100 Volts.
b)
Pour le choix du
redresseur, on devra prendre un composant capable de fournir un courant moyen redressé de
400 mA, et capable de supporter
une tension inverse de deux à trois fois la valeur de la tension efficace,
c'est-à-dire :
100 x 2 = 200 à 100 x 3 = 300 Volts.
c)
Quant à la tension
d'isolement du condensateur, une valeur théorique de
242 Volts
serait nécessaire.
Cependant, étant donné que
l'alimentation débite un courant, donc que le condensateur se décharge, on
adopte en général (pour des raisons d'économie) une valeur moins élevée.
La tension inverse de crête n'est
en effet appliquée que par intermittence et pendant un temps très court.
On peut ainsi prendre un
condensateur isolé à 150 Volts
(tension
service), pouvant supporter une
"tension de pointe"
ou
"tension d'essai"
nettement plus élevée.
Cependant, par sécurité,
une alimentation ne doit jamais fonctionner à vide.
En effet, pour un débit nul, la
tension continue de sortie passe, dans l'exemple donné, de 100 Volts à 142 Volts. Pendant le même
temps, la tension alternative sur l'anode peut être de
- 142 Volts, donc la tension entre l'anode et la cathode est de
284 Volts (142 + 142).
Dans ces conditions, il peut en résulter
la destruction du condensateur chimique de filtrage.
Pour éviter cet
inconvénient,
on insère très souvent à la sortie des alimentations, une résistance
de protection appelée
Bleeder
(terme anglo-saxon signifiant :qui tire de la
puissance). Cette résistance est représentée en pointillé sur
la figure 5.
La valeur de celle-ci doit être
suffisante pour déterminer un débit de quelques milliampères,
capable
de provoquer la décharge du condensateur, mais ne doit pas être
trop basse, afin de ne pas
surcharger l'alimentation.
On peut par exemple admettre un débit de
5 mA.
La résistance Bleeder aura alors pour valeur : R
= U / I = 100 / 0,005 = 20 kW.
Il ne reste plus ensuite, en consultant un
catalogue constructeur, qu'à
choisir le
redresseur
répondant aux normes déterminées en b, (BRY
13, 1N 334, SFR 264, etc...).
Pour protéger celui-ci des éventuelles
surcharges, on peut prévoir une résistance en série, placée avant ou après
le redresseur, mais AVANT LA CHARGE;
la valeur moyenne de cette résistance est de l'ordre de 5
W.
Étant donné que le courant débité
par l'alimentation circulera dans celle-ci, cet élément devra être en mesure de dissiper une puissance de :
P = R x I² = 5 x 0,4² = 0,8 watts
Par précaution, il est bon de prévoir
une résistance de 1 à 2 watts.
Dans le cas d'une alimentation par
l'intermédiaire d'un transformateur, on peut considérer que la résistance
ohmique de celui-ci assure une protection suffisante. Par contre, dans le cas d'une alimentation directe sur le réseau, cette résistance
est indispensable.
Dans les figures précédentes, on a
toujours représenté le redresseur avec le symbole d'une diode à semi-conducteur.
On peut évidemment, avec le même
montage, utiliser une diode à vide. Il
suffit simplement de prévoir au secondaire du transformateur, un enroulement
supplémentaire, pour le chauffage du filament (voir figures 6 et 7).
On peut voir, figure 6 (diode à
chauffage indirect), qu'une extrémité du filament est reliée à la cathode.
Cette liaison, qui ne change rien au fonctionnement du tube, a pour but d'éviter
un éventuel amorçage entre le filament et la cathode.
Avec ce montage, il n'est évidemment
pas possible de relier une extrémité du secondaire "chauffage-filament"
à la masse et de faire de même avec une extrémité du filament
(solution facilitant le câblage).
Dans ce cas, en effet, le filament
serait soumis à la tension continue redressée.
Les diodes à vide modernes, étant
conçues avec un isolement cathode-filament suffisant, cette liaison n'est pas toujours indispensable.
Dans le montage de la figure 7
(diode à chauffage direct), c'est le filament qui sert de cathode.
La tension continue de sortie est
prise entre la masse et cette électrode.
Là encore, il n'est pas possible de
relier à la masse une extrémité du secondaire, "chauffage filament", et une extrémité du filament.
Dans ce cas, en effet, la tension
continue serait directement en court-circuit avec la masse.
Le tableau de la figure 8 résume ce
qui a été dit sur les montages redresseurs à une alternance.
Ce type de montage est simple, mais le nivellement de la tension continue de sortie est délicat, du fait que les
alternances négatives de la tension alternative sont purement éliminées.
Redressement Simple Alternance
2
= 250 x 1,41 = 352 Volts environ.
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