Un circuit redresseur transforme une tension alternative en une tension CC pulsée. Il existe différents types de redressement, les uns ayant des avantages par rapport aux autres.

1.1.   Redressement demi-onde simple

Lorsque la tension alternative Es est positive, celle-ci oblige la diode à conduire. Le demi-cycle positif de Es se retrouve donc aux bornes de la résistance. Lorsque le potentiel de Es est négatif, la diode est alors polarisée en inverse et se comporte comme un circuit ouvert. Aucun courant ne parcourt le circuit et le potentiel aux bornes de la résistance demeure nul. On trouve dans ce circuit les formes d'ondes de la figure suivante. La fréquence aux bornes de la résistance est de 60 Hz. 

 1.2.   Redressement pleine-onde avec un transformateur à prise médiane 

 Un transformateur ayant une prise médiane, lorsque celle-ci est branchée à commun, possède deux sorties déphasées l’une par rapport à l'autre de 180⁰. Dl conduit durant l'alternance positive de ES1 tandis que D2 le fait durant celle de ES2 180⁰ plus tard. On retrouve ainsi aux bornes de RL les alternances positives de ES1 et ES2 une à la suite de l'autre, produisant ce qu'on appelle du "pleine-onde". La fréquence du signal aux bornes de RL est 120 Hz. Voir les formes d'ondes de la figure suivante. 

D1 est bloquée durant l’alternance négative de ES1. D2 pendant ce temps conduit car l’alternance de ES2 est positive. La tension aux bornes de la diode D1 est alors :

VAB = ES1 crête + ES2 crête – VD2 = 2 ES crête – 0.7

1.3.   Redressement pleine onde à l’aide d’un “pont”

Afin de réaliser cette tâche, ce circuit possède quatre diodes et le transformateur n’a pas besoin d’une prise médiane (voir figure ci-dessous). 

À la figure ci-dessus, D1 et D2 conduisent ensemble lorsque ES est positive et on retrouve aux bornes de RL l’alternance positive de ES moins La chute de tension de D1 et D2. On note les polarités aux bornes de RL. Lorsque ES est négative ce sont D3 et D4 qui conduisent et on retrouve aux bornes de RL l’alternance négative de ES. On note que les polarités aux bornes de RL sont les mêmes que lors de l’alternance positive de ES.

Le courant circule donc toujours dans le même sens dans RL peu importe les polarités de ES. La fréquence de l’onde aux bornes de RL est de 120 Hz.

Les formes d’ondes dans ce circuit sont les suivantes : 

D1 et D2 sont bloquées durant l’alternance négative de ES alors que D3 et D4 conduisent. La tension aux bornes de la diode D1 est alors : VAB = ES crête – 0.7 

1.4.   Redressement bipolaire

Ceci est une répétition du redressement pleine-onde avec un transformateur à prise médiane. On utilise, en parallèle, deux circuits de ce genre; un pour les alternances positives de Es1 et Es2 et un autre pour les alternances négatives Es1 et Es2. Le circuit alimente deux charges : une avec une tension pulsée positive et l'autre avec une tension pulsée négative par rapport à commun. 

 Formes d’ondes

 Voici la manière courante de le dessiner

 1.5.   Valeur moyenne d’une tension de sortie

La valeur moyenne de la tension de sortie est la mesure que l’on obtient en branchant un voltmètre continu aux bornes de sortie du redresseur 

Exemple : analogie physique

On parcourt en voiture un itinéraire d’une durée de 60 minutes. Ce trajet est divisé en quatre étapes de 15 minutes. 

 En une heure, on a parcouru au total une distance de 100 Km. Or effectuer ce trajet de 100 Km en variant la vitesse, c’est exactement comme si on avez roulé à une vitesse de 100 Km/H pendant la même période. Cette vitesse constante avec laquelle on peut parcourir la même distance est la vitesse moyenne du véhicule pendant les 60 minutes. 

             Mathématiquement la vitesse moyenne est égale à : 

120 + 40 + 160 + 80

-------------------------  = 100 Km/H

                 4 

La même loi mathématique s’applique aux circuits redresseurs. 

a)    Redresseur demi-onde 

 Lorsque vous faisiez la moyenne de vos notes à l’école, vous additionniez vos notes, puis vous divisiez le total ainsi obtenu par le nombre de notes. Pour trouver la valeur moyenne d’une forme d’onde, nous utilisons exactement la même technique.

La méthode qui donne la solution exacte dans le cas d’une forme d’onde sinusoïdale est appelée intégration :  

Vmoy = ∫^p₀ Vmax sin wt . dt (1 alternance)  

V moy = Vmax / p = 0.318 Vmax  

b)   Redresseur pleine onde  

V moy = 2 x Vmax / p = 0.636 Vmax  

Les petites variations qui apparaissent à la sortie du bloc d’alimentation sont appelées ondulations. Ce sont des composantes de la tension alternative et font partie de la tension continue, à la sortie du filtre. L’ondulation peut s’exprimer en volts ou en pourcentage de la tension de sortie. Plus l’ondulation est faible, plus la tension de sortie est pure. 

2.1.   Principe

        Le circuit de filtrage le plus répandu est le circuit de filtrage avec un condensateur. Le condensateur est branché à la suite du redressement. Grâce au condensateur on retrouve une tension continue fixe à la sortie du bloc d'alimentation. Le circuit peut avoir l'air de la figure suivante

En 1: Lors du premier cycle le condensateur se charge jusqu'à Es crête -0,7 V et accumule ainsi de l'énergie.

En.2: Le condensateur se décharge ensuite dans la charge dépensant ainsi d'une manière étalée l'énergie accumulée auparavant.

En 3: Le condensateur se recharge en récupérant l'énergie dépensée en 2.

En 4: Lire 2

Lire 3, lire 2, lire 3 etc. 

2.2.   Ronflement.

La variation de tension aux bornes du condensateur causée par la charge et la décharge est appelée ronflement et notée (Er). La tension de sortie sera la tension moyenne. La fréquence du ronflement dépendra du type de redressement utilisé. On exprime la valeur de la tension de ronflement en volts crête à crête.

EOUT DC = EMOY = (Es crête -VD) – (Er / 2)

où: Es crête = la tension crête au secondaire du transformateur.

VD = la tension chutée par la ou les diodes du redressement.

Er = tension de ronflement c.à.c. 

Indice de ronflement: (Ripple Index). 

h = Er / Emax.

% de ronflement = h x 100% 

La majeure partie du filtrage est effectuée par le condensateur. De nombreux concepteurs utilisent la règle du 10 % qui conseille de choisir un condensateur qui maintient l’ondulation crête à crête à environ 10 % de la tension de crête. Une telle ondulation semble trop grande mais il n’en est rien. On améliore le filtrage à l’aide d’un régulateur de tension. 

2.3.   Forme d’onde aux bornes de la diode.

L'allure de la tension aux bornes de la diode se trouve à être, entre la cathode et l'anode une source DC à peu près fixe (VC ) et un signal alternatif (Es).

Lors du redressement et du filtrage, le condensateur se déchargeant graduellement après avoir été chargé à Es crête -0,7V, se fait recharger au travers la diode à l'instant où la tension Es du côté de l'anode est plus haute que VC du côté de la cathode. 

Une impulsion de courant traverse la diode le temps de charger le condensateur et durant cette impulsion la diode chute son 0,7 V. 

La diode demeure en inverse le reste du temps. Lorsque Es est à sa valeur crête en inverse, on atteint le “PIV” de la diode (Peak Inverse Voltage). C'est à ce moment que VC et Es additionnées ensembles créent la plus haute tension que la diode aura a endurer en inverse. Il faudra choisir la diode redresseuse en fonction de cette situation. On estime, dans ce circuit simple, que le PIV est égal à 2 x Es crête – 0.7 V. 

2.4.   Calcul du condensateur.

Afin d'évaluer la capacité du condensateur nécessaire il faut connaître nos besoins qui sont:

a)      La tension et le courant désirés à la charge (Eo moy. et 10 moy.).

b)      La quantité minimale de ronflement (Er).

c)      Le type de redressement utilisé (pleine-onde ou demi-onde).

On se rappelle sûrement que: 

Q = C x V 

Le courant par définition est: I = Q / t => Q = I x t 

Alors C x V = I x t è I = C x V / t 

On voit ainsi que le courant circulant dans un condensateur dépend de combien la tension change et en combien de temps. Si la tension aux bornes d’un condensateur de 1 Farad varie de 1 Volt en 1 seconde il y circule alors-un courant de 1 Ampère. En effet pour qu'un courant circule dans un condensateur il faut faire varier la tension à ses bornes. On peut écrire l'équation ainsi: 

I = C x DV / Dt 

Si on rapporte ça à une période du signal (Dt = T) et que l’on note Er % = DV, alors : 

I = C x Er / T 

I est le courant moyen dans la charge

T est la période du signal

Er est la variation de tension aux bornes du condensateur 

On peut écrire la formule simple : 

            I OUT

C = -------------

        Er x F OUT 

Où FOUT = 60 Hz en demi onde et 120 Hz en pleine onde 

N.B. : Si la source alternative est autre que l'Hydro-Québec (60 Hz), il faudra considérer la fréquence utilisée. Par exemple dans les véhicules de transport les fréquences de 400 Hz et de 1 KHz sont très répandues. 

Les approximations nous permettent d'éviter des calculs trigonométriques fastidieux. Les résultats obtenus sont très raisonnables, Si on demeure en deçà de 10% de ronflement. Le condensateur calculé aura une valeur légèrement supérieure au calcul précis. À 5% de ronflement le condensateur trouvé a une capacité de 5% plus haute que le calcul précis et à 10% de ronflement, 20% plus gros. De toute façon sur le marché, la tolérance des condensateurs de filtrage est de -20% + 80%. Ce qui fait qu'on demeure dans la bonne marge. 

Exercice 1 :  Soit le circuit suivant :

Choisir le condensateur C (capacité normalisée la plus proche) du filtre de la figure précédente pour obtenir une ondulation d’environ 10 % de la tension de charge pour une résistance RL de 3.9 KW.

------------------ 

VS crête = 12.6 / 0.707 = 17.82 volts 

V RL = VS crête - 0.7 = 17.82 - 0.7 = 17.12 volts 

F out = 60 Hz (redressement demi-onde) 

Vond = 10 % de V RL = 0.1 x 17.12 = 1.7 volts 

C = I out / F x Vond    Avec I = VRL / RL = 17.12 / 3900 = 4.39 mA 

C = 4.39 mA / 60 x 1.7 = 43 µF (47 µF normalisée). 

Exercice 2 : soit le circuit suivant : 

Choisir le condensateur C (capacité normalisée la plus proche) du filtre de la figure précédente pour obtenir une ondulation d’environ 10 % de la tension de charge.

----------------- 

VS crête = 36 / 0.707 = 50.9 volts 

VRL = VS crête - 1.4 = 50.9 - 1.4 = 49.5 volts 

F out = 1200 Hz (redressement pleine onde) 

Vond = 10 % de V RL = 0.1 x 49.5 = 4.95 volts 

C = I out / F x Vond    Avec I = V RL / RL = 49.5 / 100 = 495 mA 

C = 495 mA / 120 x 4.95 = 833 µF (1000 µF normalisée). 

2.5.   Courant de mise en fonction.

Au moment où l'alimentation est mise en fonction, la première charge du condensateur va demander un courant plus intense. Ce courant est appelé “I surge”. Durant le ou les premiers cycles d'opération de l'alimentation, un effort plus important est demandé au transformateur afin d'emmener rapidement la tension aux bornes du condensateur de filtrage à EMAX. 

Le courant traversant la diode redresseuse est évidemment le courant qui charge le condensateur. C'est pour cela qu'il est important de considérer le “I surge” lors du choix du redresseur. 

Le cas présenté ci-dessus est celui; où chanceux:, le manipulateur met l'appareil en marche exactement au début de l'alternance positive de Es.

Le pire cas serait de mettre l'appareil en marche à exactement 90° , c'est-à-dire sur la crête de Es. Le courant I surge sera déterminé ainsi: 

R INT = Résistance interne du transformateur

ES = Tension du secondaire

RB R Bulk de la diode

RL = Résistance de charge 

Il s’agit de faire un circuit de thévenin de tout cela : 

VTH = ESMAX (à 90⁰) – VD

RTH = RINT + R Bulk

I surge max = VTH / RTH 

Il est évident, à cause de la résistance totale du système, que le condensateur ne se chargera pas complètement lors du premier cycle et cela pourrait avoir l’allure suivante : 

2.6.   Protection :

-       Par fusible après le bloc

On peut utiliser un fusible à fonte rapide (Fast Blow) pour une protection simple et rapide du circuit et/ou du bloc d’alimentation. Un fusible à fonte lente (Slow Blow) fait le même travail que précédemment mais ce type de fusible acceptera des surcharges transitoires. Le facteur de sécurité recommandé est de 1.25. La valeur maximum du fusible doit être environ 1.25 fois le courant demandé normalement par la charge. Par exemple si un circuit est fait pour fonctionner à 1 ampère, un fusible de 1.25 A sera choisi pour protéger le circuit. 

-       Par fusible au primaire du transformateur

Cela permet de protéger le transformateur et le circuit. Si la charge devenait trop importante, le pont de redresseurs en souffrirait. La surcharge sera stoppée par le fusible au primaire. Il est cependant conseillé d’utiliser un fusible à fonte lente à cause de la surintensité (I surge) lors de la mise en route de l’appareil.