Concevoir une alimentation redressée

La tension continue réelle

Un transformateur « 12 V » ne donne pas 12 V continus après redressement, ni même 12 × √2 ≈ 17 V. Faisons le compte pour un transformateur 12 V 1 A, un pont de diodes et un condensateur :

• tension crête : 12 × √2 ≈ 17 V ;
• moins deux seuils de diodes en série dans le pont (chapitre 2), environ 2 × 0,9 = 1,8 V : il reste 15,2 V en crête ;
• moins l'ondulation : pour 2 V d'ondulation sous 1 A, C = 1 000 mA × 10 ms / 2 V = 5 000 µF (chapitre 4). La tension descend à 13,2 V au creux.

Le régulateur qui suit a besoin d'une marge : un régulateur linéaire 12 V demande souvent environ 2 V de plus à son entrée, soit 14 V au creux de l'ondulation. Avec 13,2 V, il décroche 100 fois par seconde (cours sur la régulation linéaire). Solutions : doubler le condensateur, ou choisir un transformateur de 15 V.

Et à vide ?

Un petit transformateur donne à vide une tension nettement supérieure à sa tension nominale, souvent 10 à 20 % de plusOrdre de grandeur pour les transformateurs de quelques dizaines de VA : plus ils sont petits, plus l'écart est grand. Voir la fiche du transformateur.. Notre 12 V peut monter vers 14 V efficaces à vide : le condensateur se charge alors à près de 19 V.

Le courant en pointes

Le condensateur ne se recharge pas en continu : seulement pendant le court instant où la tension redressée dépasse la sienne, près du sommet de chaque alternance (chapitre 4 : la phase IG). Toute la charge d'une alternance doit passer pendant ce bref instant.

• Le courant des diodes se présente donc en pointes, de plusieurs fois le courant continu fourni à la charge ;
• le courant efficace dans le transformateur est plus élevé que le courant continu : on compte couramment 1,6 à 1,8 foisRègle pratique pour un redresseur en pont suivi d'un condensateur ; la valeur exacte dépend de l'ondulation et de l'impédance du transformateur. le courant continu.

Conséquence : pour fournir 12 V et 1 A continus, un transformateur 12 V 1 A est trop juste. On choisit plutôt un 12 V d'environ 1,8 A, soit une vingtaine de VA.

Choisir les diodes

• Courant : dans un pont, chaque diode conduit une alternance sur deux, mais les pointes la chauffent. On choisit un pont de courant nominal nettement supérieur, deux à trois fois le courant continu ;
• échauffement : deux diodes conduisent à la fois, soit environ 2 × 0,9 V × 1 A ≈ 1,8 W sous 1 A. Au-delà de quelques ampères, un dissipateur devient nécessaire (chapitre 2 : le pont de 5 A limité à 3,3 A sans dissipateur) ;
• tension inverse : voir le chapitre 4, avec une marge ;
• surintensité de mise sous tension : l'écran suivant.

Le courant d'appel à la mise sous tension

Un condensateur vide se comporte comme un court-circuit (voir le cours sur la puissance en monophasé). À la mise sous tension, seules les résistances du circuit limitent le courant.

• Derrière un transformateur, la résistance de ses enroulements limite la pointe : les diodes doivent simplement supporter leur surintensité non répétitive, indiquée sur leur fiche.
• Directement sur le secteur, sans transformateur, comme dans les alimentations à découpage : le condensateur se charge vers 325 V à travers quelques ohms à peine. La pointe peut atteindre des dizaines d'ampères.

Les remèdes :

• une thermistance CTN en série (cours sur la résistivité) : froide, sa résistance limite la pointe ; en chauffant, elle devient presque négligeable. Mais redémarrée encore chaude, elle ne limite plus rien ;
• une résistance de limitation, court-circuitée par un relais une fois le condensateur chargé : la solution des grosses alimentations et des variateurs ;
• un fusible temporisé, qui laisse passer la pointe mais pas un défaut durable.

La durée de vie des condensateurs chimiques

Dans une alimentation, le condensateur chimique est souvent le premier composant à lâcher. Son électrolyte s'évapore lentement, d'autant plus vite qu'il fait chaud. Exemple : un condensateur donné pour 2 000 heures à 105 °C, sa température maximale. S'il travaille à 55 °C, 50 °C plus bas : 2 000 × 2⁵ = 64 000 heures, soit plus de sept ans en service continu. À 85 °C : seulement 8 000 heures, moins d'un an.

• Le courant d'ondulation le chauffe de l'intérieur, à travers sa petite résistance interne, l'ESR. Les pointes de l'écran précédent comptent : la fiche technique indique le courant d'ondulation admissible ;
• préférer des modèles 105 °C à faible ESR, et les éloigner des dissipateurs ;
• choisir une tension de service avec de la marge au-dessus de la tension à vide.

Reconnaître un condensateur fatigué

• un sommet bombé ou fendu, une trace d'électrolyte au pied : à remplacer sans discuter ;
• une ondulation qui augmente à l'oscilloscope, une alimentation qui siffle ou redémarre en boucle ;
• un appareil de mesure d'ESR le confirme, en quelques secondes, souvent même sans le dessouder.

Un condensateur chimique est polarisé : monté à l'envers, il chauffe et peut exploser.

Sécurité : le condensateur reste chargé

Un condensateur garde sa charge après la coupure, parfois pendant des minutes, si rien ne le décharge. L'énergie stockée vaut :

• 470 µF chargés à 325 V, dans une alimentation à découpage ou un variateur : ½ × 470 × 10⁻⁶ × 325² ≈ 25 J, sous une tension dangereuse ;
• 10 000 µF chargés à 50 V : ½ × 0,01 × 50² ≈ 12,5 J. Tension moins dangereuse pour les personnes, mais un court-circuit franc produit une étincelle violente et peut faire fondre un outil.

Avant d'intervenir :

• couper, puis mesurer la tension aux bornes du condensateur ;
• le décharger à travers une résistance de puissance adaptée, jamais avec un tournevis ;
• sur un variateur, attendre le temps indiqué sur l'appareil, souvent plusieurs minutes, puis vérifier (cours sur le paramétrage du variateur).

Une résistance de décharge câblée en permanence en parallèle sur le condensateur le vide en quelques secondes ou minutes : c'est une sécurité, pas une garantie. On mesure toujours.

Au-delà du condensateur : self de lissage et facteur de puissance

La self de lissage filtre le courant plutôt que la tension. Placée en série entre le redresseur et la charge, elle s'oppose aux variations de courant (cours sur l'électromagnétisme) :

• le courant devient presque continu, les pointes disparaissent : diodes et transformateur travaillent mieux ;
• on l'utilise pour les fortes puissances : chargeurs de batteries, moteurs à courant continu, bus continu des variateurs.

Combinée au condensateur, elle forme un filtre LC, bien plus efficace qu'un condensateur seul.

Le facteur de puissance d'un redresseur

Vu du réseau, un redresseur suivi d'un condensateur n'appelle du courant qu'en pointes. Le cos φ reste proche de 1, mais le courant est déformé : le facteur de puissance tombe souvent vers 0,5 à 0,7 (voir l'Aller plus loin de la puissance en monophasé).

• Au-delà d'une certaine puissance, les appareils doivent corriger ce facteur de puissance : c'est le rôle du PFC, qui fait appeler au redresseur un courant presque sinusoïdal (cours CEM) ;
• pour les petites puissances, l'alimentation à découpage a remplacé le transformateur 50 Hz : plus légère, meilleur rendement, et une tension régulée sur une large plage d'entrée (cours sur le découpage).