Débuter en électronique : les redresseurs

Dans le numéro de mai/juin d'Elektor, nous avons accueilli la diode comme le premier représentant de la famille des semi-conducteurs, et vous ne pouvez pas penser à l'électronique d'aujourd'hui sans elle. On va maintenant calculer avec des redresseurs. Après tout, nous ne pouvons pas simplement souder des pièces ensemble et espérer que cela fonctionne. Voyons d'abord notre redresseur demi-onde (Figure 1).

Plus la capacité du condensateur électrolytique est grande, moins la tension chutera pendant les demi-périodes négatives de la tension alternative ; et aussi, à mesure que la résistance diminue (et donc que le courant consommé par la charge augmente), la tension chutera davantage pendant les demi-périodes négatives ("effondrement", dit l'électronicien). On peut mettre ça dans une formule :

Nous avons supposé que le courant était constant. Supposons maintenant que nous ayons un transformateur 15 V, un redresseur demi-onde et une charge avec un appel de courant de 1 A. La tension fournie par le redresseur doit être stabilisée par un circuit intégré régulateur qui nécessite une tension d'entrée minimale de 18 V pour fournir une tension de sortie stable de 15 V. (Nous reviendrons sur ce circuit intégré dans un prochain numéro.) Dans ce cas, quelle doit être la taille du condensateur ? Premièrement, nous devons calculer la valeur de crête de la tension alternative ; dans un précédent article de cette série, nous avons vu que pour la valeur crête s'applique :

Pour notre commodité, nous soustrayons 0,7 V de cette tension de crête (qui est la tension directe de la diode au silicium utilisée comme redresseur) :

Quant aux perfectionnistes parmi vous, nous avons arrondi le résultat à une décimale - c'est assez précis dans ce cas. Étant donné que le CI a besoin d'une tension d'entrée d'au moins 18 V (nous pouvons trouver cette tension d'entrée minimale dans la fiche technique du CI), la tension est autorisée à chuter d'un maximum de 2,5 V pendant une période. Nous réécrivons la formule de la tension aux bornes du condensateur et ajoutons les valeurs de courant, de tension et de fréquence :

La valeur standard la plus élevée suivante serait de 10 000 µF, et pour un courant de seulement 1 A, c'est un condensateur assez "volumineux". Théoriquement, il existe deux méthodes pour obtenir une valeur inférieure (et donc un condensateur électrolytique plus petit et moins cher):

Cette rectification pleine onde sera discutée plus loin ; ci-dessous, nous traiterons d'abord de "l'augmentation de la tension du transformateur". Si nous utilisons un transformateur 18 V au lieu de la version 15 V dans l'exemple, nous mesurerons une tension de crête d'environ 24,7 V au niveau de la diode, ce qui signifie une différence de tension maximale autorisée de 6,7 V. La sélection du condensateur peut donc être proportionnellement plus petite ; la valeur calculée est d'environ 3000 µF et la valeur standard supérieure suivante est soit 3300 µF soit 4700 µF. Comme l'a dit un jour un célèbre philosophe néerlandais du football (Johan Cruijff), chaque avantage a son inconvénient : cette solution implique une consommation d'énergie plus élevée et également une dissipation thermique plus élevée dans le régulateur de tension. Pour cela, nous allons voirFigure 2.

Le composant avec le numéro de pièce 7815 est un régulateur de tension fixe. Pour l'instant, nous ne sommes pas intéressés par le fonctionnement de cette chose. Ce qui compte ici, c'est que ce circuit intégré transforme une tension d'entrée CC variable (dans certaines limites) en une tension de sortie CC (presque) constante. Ce qui suit s'applique à la puissance de sortie dans les deux cas (l'exemple avec le transformateur 15 V et l'exemple avec le transformateur 18 V) :

La dissipation dans le CI (la puissance convertie en chaleur dans le CI) est égale à la différence entre la tension d'entrée et de sortie multipliée par le courant (dans de nombreux cas - et aussi ici - nous pouvons négliger la propre consommation d'énergie du CI).

Pour être sûr, la tension d'entrée du CI n'est pas constante; dans ce cas, nous utilisons la moyenne arithmétique de la tension d'entrée minimale et maximale (ce qui est suffisamment précis pour nos besoins). En conséquence, la perte de puissance dans le régulateur de tension augmente d'environ 50 % - c'est beaucoup de chaleur excédentaire qui doit être dissipée. Le fait que le transformateur doive maintenant fournir 22 W au lieu de 20 W (c'est-à-dire y compris les pertes dans la diode et le régulateur de tension) n'a pas vraiment d'importance, sauf à nous obliger à utiliser un transformateur un peu plus gros.

Nous avons représenté schématiquement le redresseur pleine onde dansfigure 3.

Grâce à l'ingénieux circuit à quatre diodes (également appelé pont redresseur ou circuit de Graetz), les deux demi-périodes de la tension alternative sinusoïdale à l'entrée sont désormais utilisées. Pendant la demi-période positive, le courant de charge du condensateur électrolytique traverse les diodes en haut à droite et en bas à gauche, et pendant la demi-période négative à travers les diodes en bas à droite et en haut à gauche. L'avantage est que le condensateur électrolytique est chargé deux fois plus souvent et par conséquent (estimation approximative) n'a besoin que d'environ la moitié de "l'épaisseur". Cela se traduit par laFigure 4courbes de tension : au-dessus de la tension d'entrée, au milieu la tension aux bornes de la charge sans le condensateur, et en dessous de la tension aux bornes du condensateur.

Pour la variation de tension aux bornes du condensateur tampon du redresseur double alternance, ce qui suit s'applique :

Calculons maintenant notre exemple précédent (avec le transformateur 15 V) avec un redresseur double alternance. En raison de la chute de tension supplémentaire à travers la deuxième diode, nous avons maintenant une tension de crête de :

Cela nous donne une valeur pour le condensateur électrolytique de :

La prochaine valeur standard plus élevée serait de 6800 µF, mais on peut se demander si cela est (largement) disponible. Sinon, nous devons utiliser un condensateur électrolytique de 10 000 µF. À une tension de transformateur de 18 V, nous nous retrouvons avec une valeur calculée de 1700 µF et une valeur standard de 2200 µF, soit au moins une taille plus petite. En ce qui concerne notre attente initiale selon laquelle le condensateur tampon ne devrait avoir que la moitié de la taille, la tension directe des diodes de redressement annule cela. Il est clair que le courant traversant la charge joue un rôle décisif : plus le courant est élevé, plus le condensateur est grand. C'est la raison pour laquelle on retrouve souvent un grand nombre de gros condensateurs électrolytiques dans l'alimentation des amplificateurs de puissance lourds.

Pour les circuits avec des amplificateurs opérationnels ("op-amps"), nous avons souvent besoin d'une tension d'alimentation symétrique - en d'autres termes, nous avons besoin de tensions positives et négatives égales par rapport à la masse commune. En principe, on peut y parvenir avec deux transformateurs, ou avec un transformateur à deux enroulements secondaires, suivi de deux redresseurs. On peut aussi simplifier : il est possible de dériver une tension continue positive et une tension continue négative à partir d'une seule tension alternative, comme indiqué dansFigure 5 . En fait, nous utilisons deux redresseurs demi-onde, l'un utilisant les demi-périodes positives de la tension alternative sinusoïdale d'entrée et l'autre les demi-périodes négatives. Pour le calcul des condensateurs électrolytiques, les mêmes équations s'appliquent que pour les redresseurs demi-onde "normaux".

Cependant, la taille du transformateur demande maintenant un peu plus d'attention. Supposons que nous ayons besoin d'une tension d'alimentation symétrique de ±15 V pour un courant de 1 A. Ces tensions sont stabilisées par des régulateurs de tension. Le transformateur doit être capable de fournir au moins 20 W (1 A à une tension de crête d'environ 20 V) — mais c'est pour chaque demi-période. Au total, le transformateur doit pouvoir délivrer au moins 40 W. C'est tout pour cette fois. Dans le prochain épisode, nous multiplierons les tensions.

Note de l'éditeur : la série d'articles "Starting Out in Electronics" est basée sur le livre Basiskurs Elektronik, de Michael Ebner, qui a été publié en allemand et en néerlandais par Elektor.

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