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Technique - Le redressement


Nos appareils, nos montages, bref notre installation d'émission réception fonctionne grâce à de l'énergie. Il n'y a pas de miracle ni de génération spontanée (hélas) et cette énergie nous la tirons principalement du réseau électrique mis à notre disposition (pas gracieusement une fois encore hélas).
La problématique :

L'électronique que nous utilisons fonctionne avec du courant continu et le réseau électrique nous fournit du courant alternatif 230V 50 Hz. Il va donc falloir transformer ce courant alternatif en continu et modifier la valeur fournie en valeur désirée.

Pour ce faire nous allons utiliser des choses que nous connaissons. Voyons le premier problème, nous avons donc du 230V et nous avons besoin d'une tension de 15V. Nous allons utiliser un transformateur abaisseur

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transfo2.gif (3753 octets)

L'enroulement primaire sera connecté au secteur on y adjoindra, avec profit, un fusible qui le protégera efficacement en cas de court-circuit. Comme nous y sommes, on placera un interrupteur pour la mise en route ou la déconnexion du réseau. Vous voyez cela se monte très tranquillement.
Bon, nous plaçons notre voltmètre en position alternative, nous fermons l'interrupteur et nous mesurons 15V de tension efficace au secondaire. Parfait, tout fonctionne. Maintenant il nous faut transformer ce courant alternatif en continu.
Une fois encore nous allons utiliser quelque chose de connu, à savoir une diode. Voici le montage.
Nous avons placé une résistance pour charger le montage.

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Que va t'il se passer ?
Observons à l'oscilloscope ce que nous avons au secondaire du transformateur.
Nous observons ceci, maintenant plaçons la sonde de notre oscilloscope aux bornes de la résistance. Remarque en passant, nous allons bien sur relever une tension aux bornes de R et cette tension sera l'exacte reflet du courant.

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Nous constatons la présence de tension aux bornes de R pour les alternances positives. Ceci s'explique facilement, la diode comme vous vous en souvenez n'est conductrice que dans la mesure ou l'anode est plus polarisée que la cathode d'une valeur de 0,7V approximativement.
Amusons nous à observer, toujours grâce à notre oscilloscope l'allure de la tension aux bornes de la diode.

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Nous observons une tension de 0,7V à l'alternance positive, car la diode conduit et la pleine tension inverse quand la diode est bloquée.
Nous constatons également que le courant ne circule plus que dans un seul sens. C'est du courant continu.
Ce montage est appelé
montage redresseur demi-onde ou mono alternance

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A ce stade de nos connaissance nous pouvons faire quelques observations pratiques :
  • La diode étant en série avec la charge, le courant de diode est égal au courant de charge, ceci nous amène à une limitation qui est le courant maximal supporté par la diode. Il faudra dimensionner celle-ci en conséquence
  • La tension moyenne fournie par un tel redresseur vaut :
              Ucrête
    U =   ______
                
    p
    Dans notre cas, nous avions 15V de tension alternative efficace ce qui nous donne 15 x1.41 = 21.15V crête donc la tension moyenne continue sera 21.15/3.14 = 6.7 V.
    Connaissant la valeur de la résistance de charge, on en déduit le courant qui circule.
  • La diode quand elle n'est pas passante est exposée à la pleine tension inverse. Il faudra tenir compte de cette valeur pour le choix de la diode.
  • La fréquence d'ondulation de la tension de sortie vaut celle du secteur (50 Hz en France)

Bon tout cela est bien gentil mais nous ne bénéficions que d'une alternance sur deux, la conduction de la diode est limitée à 180°, ce n'est pas très efficace, de plus notre tension ondule fortement, elle est dans l'état actuel des choses inexploitable pour nos applications qui réclament des tensions propres, stables et bien filtrées.
Le redresseur double alternance :

redres5.gif (1906 octets) Voici le montage.
Quelques nouveautés, nous avons rajouté une diode et la charge est maintenant connectée entre le point commun des diodes et le point milieu du transformateur. Il est obligatoire d'avoir un point milieu sur le transformateur pour pouvoir effectuer ce type de montage.
Voyons comment un tel montage fonctionne :
Considérons que l'alternance positive se développe sur la branche supérieure. Cette tension se développe entre le point milieu et l'extrémité de l'enroulement. La diode D1 (en rouge) est donc polarisée pour être passante. Le courant circule dans D1 et R et reboucle par le point milieu du transformateur. Tout ceci fonctionne jusqu'au moment où la décroissance de tension fait que la tension devient nulle puis s'inverse.

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Aux bornes de notre secondaire à point milieu, nous avons des tensions symétriques et opposées. Si nous avons l'alternance positive sur une branche, nous avons l'alternance négative sur l'autre. C'est ce qui est représenté par les signes +/-.
Maintenant c'est la diode D2 qui est polarisée en directe et qui conduit. Remarquez que le sens de passage du courant est le même, donc de même polarité. Il s'agit bien maintenant de courant continu, et nous avons bien effectué un redressement double alternance.

redres7.gif (1442 octets)

Allure de la tension redressée :

redres8.gif (1983 octets)

On mesure bien sur cet oscillogramme que nous avons "redressé" les deux alternances. Notre tension ondule toujours, d'ailleurs ce n'est pas le rôle du redressement que de corriger cela soit dit en passant, mais nous exploitons pleinement maintenant notre source d'énergie.
Voyons maintenant en valeurs chiffrées quels ont été les gains obtenus par l'ajout de cette deuxième diode.
  • La valeur moyenne de la tension continue s'établit à :

              2 Ucrête
    U =   ______
                
    p

    On voit ainsi que ce type de redresseur est deux fois plus efficace que le redresseur mono alternance.
  • les remarques faites concernant la tension inverse max sont toujours d'actualité avec ce montage, toutefois le courant dans chaque diode est moitié moindre par rapport au redresseur mono alternance.
  • La fréquence d'ondulation de la tension de sortie vaut 2 fois celle du secteur (50 Hz en France)
Une variante, le montage en pont :

C'est le montage le plus répandu car il est plus facile de rajouter deux diodes que de trouver un transformateur à point milieu. On trouve depuis de nombreuses années des ponts de diodes intégrés pour toutes les puissances imaginables, ceci simplifie grandement la fabrication d'une alimentation

redres9.gif (2427 octets)

Désolé pour cette représentation légèrement inhabituelle, toujours pour les même raisons (le logiciel), ordinairement, le pont de diodes est représenté en forme de losange.
Dans ce type de montage, on se contente d'un transformateur classique sans point milieu ce qui est très pratique. Les alternances positives et négatives se développent donc entre les extrémités de l'enroulement secondaire. Essayons de suivre le cheminement du courant dans ce type de redresseur.
Supposons que le potentiel le plus élevé soit durant l'alternance positive sur le haut de l'enroulement, càd au point commun de d1 et d4. d1 est polarisée en direct donc passante, d4 est bloquée. Le courant circule donc dans d1, la résistance de charge puis passe dans d2 toujours polarisée en direct et le circuit est bouclé. Maintenant l'alternance s'inverse, le potentiel le plus élevé apparaît au point commun de d2-d3. d3 est passante d2 bloquée. Le courant circule dans d3, d1 est bloquée, puis la résistance de charge et le circuit se boucle par d4 polarisée en direct. Vous constatez que le courant a circulé dans le même sens durant le cycle, sur les deux alternances.
Ce redresseur en pont introduit 2 fois la chute de tension d'une diode (0,7V) puisque nous avons deux diodes conductrices par alternance.

Résumons les caractéristiques de ces redresseurs :

Caractéristiques Redresseur mono alternance Redresseur à point milieu Redresseur en pont
Diodes 1 2 4
Courant par diode I charge I/2 charge I/2 charge
Tension inverse de crête Tension crête secondaire Tension crête secondaire Tension crête secondaire
Fréquence d'ondulation F secteur 2 F secteur 2 F secteur

Il semble évident à chacun que les éléments constitutifs d'une alimentation doivent être dimensionnés en fonction de ce que l'on veut obtenir. Qu'il s'agisse du transformateur, des diodes pour ne parler que du redresseur, chacun de ces éléments devra être en mesure de supporter tant la puissance (courant tension) demandée que les tensions inverses (pour les diodes)
L'alimentation haute tension :

Le redresseur d'une alimentation haute tension ne diffère en rien, quant au principe, d'une alimentation basse tension. Toutefois, eu égard aux très hautes tensions mises en jeu, nous devons recourir à des astuces pour parvenir à nos fins.
Les problèmes rencontrés :

Supposons le problème du transfo résolu, on ne trouve pas de diodes supportant les tensions demandées. Si nous voulons réaliser une alimentation fournissant 2500 V sous 500 mA nous devrons ruser et mettre plusieurs diodes en série.

Mais ce genre d'acrobatie ne se réalise pas simplement car une multitude de petits problèmes surgissent à ce moment là. On aura donc recours pour chaque branche du pont au montage suivant :
Voici représentée ici une branche du pont. Les diodes ont des PIV de 1000 V. Le PIV est la tension de pointe inverse max supportable.
Le condensateur en parallèle sur chaque diode la protège les pointes de tension transitoires et les résistances, par la chute de tension qu'elles procurent, égalisent les tensions car nous ne sommes jamais surs que la résistance directe soit identique pour les quatre diodes.

redres10.gif (1803 octets)

Dans les résistances va circuler un courant, il faudra donc dimensionner, en puissance, celles-ci de manière à ce qu'elles ne partent pas en fumée. De même la tension max supportable par ces résistances devra être prise en compte. Comme vous pouvez le constater, ce n'est pas une mince affaire.

Nous venons, à travers notre petit périple dans le monde de l'alimentation, de découvrir que cet ensemble qui paraît si anodin est plein de mystères et de difficultés. Souvent négligée, l'alimentation quand elle n'est pas sérieusement prise en compte, n'amène que des soucis. Dans le prochain chapitre, nous nous attaquerons au filtrage, car nous ne pouvons utiliser notre tension issue du redresseur telle quelle.