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Technique - Le filtrage


Voici un chapitre qui ne va pas nous épuiser, voyage au monde des condensateurs de filtrage.
La problématique :

Nous avons en sortie du redresseur une tension continue, certes, mais une tension qui ondule abominablement. Sur un redresseur double alternance ou un redresseur en pont cette ondulation atteint la fréquence de 100 Hz et ceci n'est pas exploitable par nos systèmes qui exigent une tension stable et exempte de ronflements.
A votre droite, l'allure de cette tension.
redres8.gif (1983 octets)
La solution :

Nous allons utiliser pour gommer ceci un filtre composé d'un ou de condensateurs. Le schéma :

filtra1.gif (2530 octets)

 

Ce condensateur est positionné immédiatement après le redresseur et immédiatement avant la charge R. Comment cela fonctionne t-il et quel est le résultat obtenu par l'adjonction de ce composant ?
Observez le résultat obtenu, la tension récupérée est dessinée en rouge. Quand la tension issue du redresseur est apparue, le condensateur s'est chargé à la valeur de la tension crête. Quand la tension commence à décroître, le condensateur se décharge dans la charge R en lui fournissant bien sur de l'énergie à une constante de temps dictée par le produit RC (t = R.C=)

filtra2.gif (2041 octets)

filtra3.gif (1262 octets)

"l'alternance" suivante arrive et recharge le condensateur et ainsi de suite. La figure de gauche vous indique la tension que voit la charge. C'est quand même beaucoup mieux non ?

Important :

Supposons que notre transformateur, dans l'exemple ci dessus, sorte une tension alternative efficace de 12V, si nous négligeons les pertes dans le pont (1,4V) et si nous mesurons la tension continu avec un voltmètre idoine, nous lisons : 16,92 V !
Il n'y a pas de phénomène de génération spontanée (hélas) c'est seulement que le condensateur "intègre" la valeur max de la tension efficace, donc 12 x 1,41 = 16,92 V  (1,41 étant la racine de 2).
Souvenez-vous de cette propriété du condensateur.

On peut calculer la tension d'ondulation résiduelle  connaissant le courant demandé et la capacité utilisée

                 I
Vond =  _______
                f . C

Avec I = courant de charge en A
f = fréquence d'ondulation (100 Hz en F pour un redresseur double alternance)
C = capacité en F
Comment déterminer approximativement la valeur du condensateur de filtrage ?

Sa valeur va dépendre de quelques paramètres tels que l'ondulation maximum souhaitée, le débit dans la charge, le type de redresseur.
la formule globale de calcul sera :
avec I = courant de charge
        t = période de la pulsation de l'ondulation
  Vond = valeur de l'ondulation en valeur crête à crête

  I t
C =  ______
  Vond

C en Farad

Petit exemple pratique pour se mettre les idées au clair. Nous poserons les exigences suivantes :
I = 2 A
tension de ronflement = 2% de la tension de sortie
tension de sortie : 13,8 V
redresseur en pont double alternance
  • Calculons la valeur crête à crête de l'ondulation. Nous avons posé 2% de 13.8V ce qui donne 0,276 V soit en CàC 2,76 x 2,82 = 0,78 V
  • Calculons la période de l'ondulation du redresseur à la fréquence réseau de 50 Hz, ceci nous donnera une fréquence en double alternance de 100 Hz et une période 1/f de 0,01 s
  • il ne nous reste plus qu'à appliquer la formule ci-dessus, il vient 
    C =  2x0,01/0,78 = 0,0256 F soit à peu près en prenant la valeur normalisée 25000 µF
Cette capacité vous semble énorme pour un courant somme toute réduit, c'est vrai mais nous avons exigé une ondulation très faible. En pratique on agira un peu différemment en acceptant plus d'ondulation et en adoptant un système de régulation série qui gommera tout cela.
Quelques précautions à prendre :

A la mise sous tension, le condensateur de filtrage est déchargé, et lorsque vous allez fermer le circuit primaire du transformateur, le condensateur va se présenter comme un véritable court-circuit et absorber un énorme courant. Ce sont les diodes qui vont en pâtir (et fortement), il est recommandé dans le cas d'alimentation de forte puissance de prévoir un système de démarrage "soft" (doux, pas par logiciel , informaticiens que vous êtes!) qui limitera le courant. C'est mieux pour les diodes et le ou les condensateurs. Ce système fait en général appel soit à des résistances en série que l'on court-circuite en fonctionnement normal, soit à un système de prises sur le primaire pour limiter la tension.
Cette dernière remarque est particulièrement vrai pour les alimentations haute tension.
Autres types de filtres utilisés :

  • Pour mémoire on trouvait il y a encore peu de temps des cellules RC pour éliminer l'ondulation. On partait du principe que la résistance R devait être grande devant la réactance du condensateur à la fréquence d'ondulation. L'inconvénient majeur et que dès lors que l'on place une résistance et que celle-ci est parcourue par un courant, il y a chute de tension.
  • Autre filtre, le système Self-Capacité, beaucoup plus efficace sur le plan énergétique. l'ondulation chute dans la réactance de la self et celle-ci si elle est correctement dimensionnée ne consomme que très peu de puissance, consommation due à sa résistance ohmique. On trouvait ce type de filtrage essentiellement sur les alimentations haute tension.

Les multiplicateurs de tension :

Ce n'est peut-être pas le chapitre idéal pour introduire ces notions mais puisque nous y sommes et qu'il faut des condensateurs pour que cela fonctionne, allons-y...

filtra4.gif (2045 octets)

Vous admirez ci-dessus le schéma d'un doubleur de tension demi-onde. Essayons de voir comment l'engin fonctionne.
Supposons que nous démarrions sur l'alternance négative, la diode D1 est donc conductrice et C1 se charge  à la valeur 1,41 U. (souvenez-vous de la remarque sur la propriété du condensateur d'intégrer la tension max). Parallèlement D2 est bloquée puisque polarisée dans le sens non passant.
Nous passons maintenant à l'alternance positive. La diode D1 est bloquée tandis que D2 conduit, chargeant le condensateur C2. Mais ce n'est pas fini car cela n'aurait rien de spectaculaire. C2 se charge et vient se rajouter à cette charge la charge de C1. C'est comme si nous avions mis en série le transfo et la charge de C1. On retrouve en sortie la charge de C1 + C2 soit 2,8 U ( U étant la tension efficace délivrée par le transformateur)
Bon ce montage, bien que commode souffre de petits problèmes quand même. Par exemple si vous connectez une charge au montage, ce qui est quand même le but recherché, vous constaterez que la tension n'est pas très stable car C2 se décharge très tranquillement durant le cycle négatif, on peut considérer que l'on a qu'un 1/2 cycle de recharge, c'est insuffisant. Ceci nous amène très naturellement vers le : 
Doubleur de tension onde entière :

filtra5.gif (2023 octets)

Voilà la bête, vous noterez que ce n'est pas plus complexe que le doubleur demi-onde.
La source de tension alternative est reliée au point commun des diodes  et au point commun des condensateurs.
Prenons l'alternance positive pour commencer, D2 est bloquée tandis que D1 conduit, chargeant C1.
A l'alternance négative, D2 conduit tandis que D1 est bloquée. C2 se charge. C1 et C2 sont chargés à la valeur 1,41 U eff et sont en série. Les tensions s'ajoutent, nous avons bien réalisé un doubleur. Ce montage présente une meilleure "régulation" de la tension de sortie que le montage demi-onde.

Voilà, ce n'était pas méchant.
Quelques considérations pratiques : Plus on veut de courant, plus la capacité de filtrage doit être importante. Si on veut beaucoup de courant, il faut que l'ensemble de la chaîne soit susceptible de fournir de la puissance, cela paraît évident et pourtant.

Cas des alimentations haute tension.
Qui dit haute tension veut aussi souvent dire débit modéré (quoi que!) et capacité de filtrage pas trop colossale. Par exemple pour un amplificateur de 1000W alimenté sous 2200V et 800 mA de débit on considère qu'une capacité de 10µF est convenable. Le véritable problème consiste à trouver une capacité pouvant offrir l'isolement nécessaire avec un bon coefficient de sécurité. Alors comme d'habitude, le génie du radioamateur pallie la faiblesse de l'approvisionnement. On aura recours aux condensateurs montés en série. Cette opération ne se réalisera pas sans quelques précautions car il faudra égaliser les tensions aux bornes des condensateurs par des résistances (on ne maîtrise pas la résistance directe des condensateurs). Sans cette précaution, il y a de fortes chances que d'énormes disparités de tension apparaissent et qu'un ou plusieurs condensateurs explosent par dépassement de la tension d'isolement
filtra6.gif (1332 octets)
Naturellement on mettra le nombre de condensateurs voulu pour assurer l'isolement plus quelques uns par sécurité.

Fini pour cette partie, il ne nous reste plus qu'à étudier comment réguler une alimentation