L'énergie électrique est initialement fournie sous forme de courant alternatif (CA), dont le sens de rotation est variable. Mais la plupart des appareils électroniques nécessitent du courant continu (CC), qui ne circule que dans un seul sens. Le processus de conversion du courant alternatif (CA) en courant continu (CC) est appelé redressement. Un redresseur double alternance est un circuit redresseur électronique capable de convertir les alternances positives et négatives du courant alternatif (CA) en courant continu pulsé (CC). Ce type de redresseur est un circuit courant et très important, souvent utilisé dans les alimentations, les chargeurs et divers appareils électroniques. Il exploite les alternances positives et négatives du courant alternatif (CA), constituant un élément fondamental et essentiel des circuits électroniques. Il est essentiel pour les étudiants, les ingénieurs et les passionnés d'électronique d'apprendre et de maîtriser le schéma, les formules et le principe de fonctionnement du redresseur à double alternance.
Comprendre le Redressement et l'Alternance
Pour appréhender le fonctionnement d'un redresseur double alternance, il est crucial de maîtriser quelques concepts fondamentaux de l'électricité et de l'électronique.
Un cycle correspond à une onde complète d'un signal de courant alternatif (CA). Ce cycle est divisé en deux parties principales :
- L'alternance positive correspond à la portion du signal alternatif située au-dessus de l'axe horizontal. Durant cette phase, le courant circule dans une direction donnée.
- L'alternance négative correspond à la portion du signal alternatif située sous l'axe horizontal. Pendant cette phase, le courant inverse sa direction.
Le redressement est le processus par lequel ce courant alternatif, dont le sens change périodiquement, est transformé en un courant continu. Le courant continu, par définition, ne circule que dans un seul sens. Cependant, le courant de sortie d'un redresseur double alternance n'est pas un courant continu pur, mais un courant continu pulsé. Cela signifie que la tension circule dans un seul sens, mais que son amplitude varie, formant une série d'impulsions positives.
Le Redresseur Demi-Alternance : Un Point de Comparaison
Avant d'explorer en détail le redresseur double alternance, il est utile de le comparer à son homologue plus simple, le redresseur demi-alternance. Le redresseur demi-alternance est l'un des circuits redresseurs les plus simples. Son principe de fonctionnement consiste à laisser passer une demi-alternance du courant alternatif (CA) tout en bloquant l'autre demi-alternance. Dans un redresseur demi-onde, seule la moitié du courant alternatif est utilisée (l'alternance positive ou négative), l'autre moitié étant bloquée. Le courant de sortie de ce type de circuit est unidirectionnel, mais non régulier ; il s'agit plutôt d'une série d'impulsions. Par conséquent, un filtre est généralement nécessaire pour obtenir un courant continu plus stable. Comparé au redresseur double alternance, son rendement est bien inférieur, car la moitié de la forme d'onde du courant alternatif est gaspillée, avec un rendement d'environ 40 %. Mais c'est précisément en raison de sa structure très simple qu'il est fréquemment utilisé dans les manuels, les expériences de laboratoire et certains circuits de prototypage rapide.
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Le redresseur double alternance est différent, car contrairement au redresseur demi-alternance qui n'utilise qu'une seule alternance de courant alternatif, le redresseur double alternance utilise les alternances positive et négative.
Le Redressement Double Alternance : Principes Fondamentaux
Qu'est-ce qu'un redresseur à onde complète ? Un redresseur double alternance est un circuit redresseur électronique capable de convertir les alternances positives et négatives du courant alternatif (CA) en courant continu pulsé (CC). Comparé au redresseur demi-onde qui n'utilise qu'une demi-alternance de courant alternatif, le redresseur double alternance permet d'obtenir une tension continue moyenne plus élevée et une sortie plus stable grâce à une ondulation réduite.
La sortie d'un circuit redresseur double alternance est en réalité une onde continue pulsée. Sans filtre, la sortie serait une série d'impulsions positives. Chaque demi-cycle du courant alternatif serait redressé une fois, de sorte que la fréquence de sortie serait le double de la fréquence d'entrée. L'une des principales caractéristiques d'un redresseur double alternance est en effet que sa fréquence de sortie est le double de sa fréquence d'entrée. L'ondulation désigne les faibles fluctuations présentes à la sortie d'un redresseur double alternance.
Pour mieux comprendre le concept, imaginez un autre circuit identique, mais dont le signal d'entrée est déphasé de 180 degrés (inversion de phase). Ainsi, le courant de sortie circule dans le même sens, formant un courant continu pulsé. Cependant, dans les circuits réels, il n'est pas pratique d'utiliser deux sources de courant alternatif distinctes et de les maintenir parfaitement synchronisées. Ces deux méthodes permettent d'obtenir le même résultat avec une seule source de courant alternatif.
Architectures des Redresseurs Double Alternance Passifs
Il existe deux principales architectures pour réaliser un redresseur double alternance en utilisant des diodes passives : le redresseur à transformateur à point milieu et le redresseur en pont, également connu sous le nom de pont de Graëtz.
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Le Redresseur à Transformateur à Point Milieu
Ce circuit est composé d'un transformateur à point milieu, de deux diodes de redressement et d'une résistance de charge. Le point commun aux deux enroulements du transformateur sert de référence de potentiel.
Fonctionnement :* Lors de l'alternance positive du courant alternatif, la diode D1 conduit et D2 est polarisée en inverse. Le courant circule alors dans un seul sens à travers la charge.
- Lors de l'alternance négative, D2 conduit et D1 est polarisée en inverse. Le courant circule toujours dans le même sens à travers la charge, en raison de la configuration du transformateur à point milieu.
Avantages :* Ses avantages résident dans sa structure simple et le fait qu'il ne nécessite que deux diodes.
- Comparé au redresseur demi-onde, il offre une tension continue plus élevée et un signal de sortie plus stable.
Inconvénients :* L'utilisation d'un transformateur à point milieu spécifique augmente le coût et l'encombrement. Ce type de transformateur est plus complexe et plus cher que les transformateurs conventionnels.
- De plus, chaque diode doit supporter une tension inverse de crête (PIV - Peak Inverse Voltage) égale à deux fois la tension d'entrée, ce qui peut nécessiter des diodes avec des spécifications de tension plus élevées.
Le Redresseur en Pont (Pont de Graëtz)
Le redresseur en pont, ou redresseur à pont complet, est composé de quatre diodes redresseuses montées en pont et ne nécessite pas de transformateur à point milieu. Cette méthode ne nécessite que deux diodes mais impose l'utilisation d'un transformateur spécial à point milieu. L'utilisation de 4 diodes permet l'emploi d'un transformateur conventionnel. Ce montage constitue le pont de Graëtz. Il est commercialisé sous la forme d'un dispositif compact muni de 4 bornes. Il n'est pas indispensable d'utiliser un transformateur, mais alors il n'y a plus d'isolation galvanique entre le secteur et le reste du montage, ce qui peut présenter des risques de sécurité dans certaines applications. Le redressement simple alternance présentant un rendement faible, on a fait évoluer le système afin de le rendre plus efficace. On a donc substitué à la simple diode un ensemble de quatre diodes montées en pont.
Fonctionnement (en considérant des diodes idéales dans un premier temps) :Nous considérons que les quatre diodes sont idéales : tension de seuil nulle (( V_{seuil} = 0\,V )) et résistance inverse infinie.
- Alternance positive (( 0 \le \theta \le \pi )) : La tension source ( v(t) ) est positive. Le courant quitte la source par le haut, traverse la diode D1, puis la charge ( R ), et retourne à la source par la diode D2. Les diodes D3 et D4 sont polarisées en inverse (bloquées). Le trait en grisé indique le parcours du courant pendant les alternances positives.
- Alternance négative (( \pi < \theta \le 2\pi )) : La tension source ( v(t) ) est négative. Le courant quitte la source par le bas, traverse la diode D3, parcourt la charge ( R ) dans le même sens, et retourne à la source par la diode D4. D1 et D2 sont bloquées.Le courant dans la charge ( ic(t) ) est unidirectionnel. Le signal redressé ( uR(t) = |v(t)| ) a une période divisée par deux par rapport à la source, soit ( T’ = \pi ) (en radians). Observez sur les courbes : la tension de sortie ( u_R(t) ) correspond à la valeur absolue de l’entrée.
Considérations sur les Diodes Réelles :Dans la réalité, chaque diode silicium présente une tension de seuil ( V{seuil} ) (environ 0,7 V). Dans un pont de Graëtz, le courant traverse toujours deux diodes en série (D1+D2 ou D3+D4). Par conséquent, le pont ne commence à conduire que si la valeur absolue de la tension source dépasse les deux seuils cumulés : ( |v(t)| \ge 2 \cdot V{seuil} ). Si ( V{max} \gg V{seuil} ), l’angle de non-conduction est minime (( \theta0 \approx 0 )). Il faut bien observer l’effet du double seuil sur la tension de charge (qui ne touche plus la source), ainsi que la tension inverse supportée par la diode D1 (qui est égale à ( -V{max} + V_{seuil} )).
Avantages :* Cette structure ne nécessite pas de transformateur à point milieu, permettant l'utilisation d'un transformateur conventionnel.
- Elle offre un meilleur rendement et est plus compacte que la conception à point milieu, d'où une amélioration notable du rendement.
- Le redresseur double alternance améliore l'efficacité du transformateur.
Inconvénients :* Chaque alternance implique la conduction simultanée de deux diodes, ce qui entraîne une chute de tension d'environ 1.4 V (pour les diodes au silicium, ( 2 \times 0.7\,V )).
- En cas de courant élevé, cette chute de tension se traduit par des pertes de puissance sous forme de chaleur, rendant le circuit sujet à la dissipation thermique et requérant l'ajout d'un dissipateur.
- Comparé au redresseur demi-onde, le redresseur double alternance nécessite davantage de composants (quatre diodes au lieu d'une ou deux).
Amélioration de la Qualité du Courant Redressé : Le Filtrage
La sortie d'un circuit redresseur double alternance, bien qu'unidirectionnelle, est un courant continu pulsé, comme mentionné précédemment. Sans filtre, la sortie serait une série d'impulsions positives, ce qui n'est pas idéal pour la plupart des applications électroniques nécessitant une tension continue stable.
L'ajout d'un filtre, par exemple en connectant un condensateur aux bornes de la charge, est une étape cruciale pour lisser la forme d'onde, réduire l'ondulation et obtenir une tension de sortie plus proche d'une tension continue stable. Ce système est utilisé dans tous les redresseurs ; on lui adjoindra une capacité en parallèle avec la résistance afin d'obtenir une valeur quasi continue ainsi qu'un ensemble de régulation permettant de compenser instantanément des variations pouvant apparaître au niveau de l'utilisation. Grâce à une amplitude d’ondulation plus faible et une tension de sortie déjà relativement stable, un condensateur de filtrage plus petit suffit pour lisser davantage le signal, comparativement au redressement demi-onde.
Avantages et Implications Techniques du Redressement Double Alternance
Le redressement double alternance présente plusieurs avantages significatifs par rapport au redressement demi-alternance, ce qui justifie son utilisation généralisée dans l'électronique.
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- Rendement supérieur : Contrairement au redresseur demi-onde qui n’utilise le courant alternatif (CA) que pendant une demi-alternance, avec un rendement d’environ 40 %, le redresseur double alternance exploite les deux alternances, améliorant considérablement l'efficacité de la conversion énergétique. Le redressement double alternance permet de redresser à la fois l’alternance positive et l’alternance négative, là où le redressement simple alternance perd la moitié de l’énergie de la source.
- Tension de sortie moyenne plus élevée : La tension de sortie continue d’un redresseur double alternance est environ 0.637 fois supérieure à la tension alternative de crête, tandis que celle d’un redresseur simple alternance n’est que de 0.318 Vm. Ceci signifie une meilleure utilisation de l'énergie d'entrée.
- Condensateur de filtrage plus petit requis : L’amplitude d’ondulation étant plus faible et la tension de sortie déjà relativement stable, un condensateur de filtrage plus petit suffit pour lisser davantage le signal, comparativement au redressement demi-onde. La fréquence d'ondulation étant le double de la fréquence d'entrée, il est plus facile de la filtrer.
- Efficacité du transformateur : Le redresseur double alternance améliore l'efficacité du transformateur en exploitant mieux ses enroulements.
Malgré ces avantages, il existe des implications à considérer :
- Complexité et pertes : Comparé au redresseur demi-onde, le redresseur double alternance nécessite davantage de composants. De plus, la conduction de plusieurs diodes entraîne des pertes de puissance sous forme de chaleur, comme observé dans le pont de Graëtz avec sa chute de tension de 1.4 V.