Alimentations Sans Transformateur : Fondamentaux, Fonctionnement et Exigences de Conception

Généralement, les produits électroniques ont un transformateur abaisseur permettant à l'alimentation CC de convertir les tensions CA secteur en tension CC (souvent faible). Le processus : convertir un CA élevé en CA bas, puis en basse tension CC, via un transformateur à découpage. Bien que suffisant sur le long terme, c'est coûteux et encombrant, nécessitant plus d'espace lors de la conception et fabrication. Une alternative meilleure et moins chère : l'alimentation sans transformateur (transformerless power supply). En plus d'être une alimentation à découpage, elle est moins coûteuse et de taille réduite. Utilisable dans une large gamme de composants électroniques comme les appareils ménagers.

Qu'est-ce qu'une Alimentation Sans Transformateur ?

Comme son nom l'indique, un circuit d'alimentation sans transformateur n'utilise ni inductance ni transformateur pour fournir une basse tension CC à partir de la haute tension alternative du secteur. Il fonctionne en faisant chuter le courant alternatif primaire (120 V ou 230 V) via un condensateur haute tension à un faible niveau de courant (12 V, 5 V ou 3 V).

Ce niveau inférieur assure un fonctionnement optimal pour la charge connectée ou le circuit électronique. Choisissez l'alimentation sans transformateur pour les circuits nécessitant de faibles courants (quelques milliampères) ou les circuits à microprocesseur.

Son principe de fonctionnement implique : limitation d'appel de courant (inrush limiting), division de la tension d'alimentation, régulation et redressement – détaillés dans la structure.

Avantages et Inconvénients

Avantages

• Peu coûteuse.
• Moins d'espace requis → moins encombrante, contrairement à une application à transformateur qui est chaotique et lourde.
• Utilisable dans les composants électroniques à faible puissance.

Inconvénients

• Les dissipations de chaleur excessives par l'alimentation résistive sans transformateur abaissent la tension de sortie finale, réduisant son efficacité.
• Courant de sortie maximal ≈ 1 ampère. Défavorable pour charges inductives ou résistives nécessitant 20 A ou 30 A.
• Pas d'isolation par rapport à l'entrée secteur → risqué à manipuler (pas d'isolation entre entrée et sortie). Une légère rupture ou détachement d'un composant détruit tout le dispositif.
• Configuration et faible sortie inadaptées aux systèmes complexes (sécurité, médical).

Heureusement, le design décrit comporte plusieurs étages de stabilisation après le pont redresseur, réduisant les risques.

Introduction au Schéma d'Alimentation Sans Transformateur

(Schéma à insérer : circuit capacitif typique)

Le schéma ci-dessus montre un circuit convertissant la haute tension CA en basse tension CC sans inductance ni transformateur. La section suivante détaille son fonctionnement.

Structure / Conception de l'Alimentation Sans Transformateur

Mesures de précaution avant réalisation :

• Travailler avec la tension CA d'entrée sans connaissance et expérience de qualité est EXTRÊMEMENT DANGEREUX. Manipulez le circuit avec une extrême prudence.
• Utilisez une diode Zener ou une résistance avec un rating d'au moins 1 W (idéalement 5 W).
• Sans diode Zener, utilisez un régulateur de tension IC.
• NE REMPLACEZ PAS le condensateur classe X par un autre condensateur : il éclaterait.
• Pour la sécurité, utilisez un fusible 1 A avant le condensateur classe X et en série avec la phase.
• Espacez suffisamment les composants.
• Évitez de toucher n'importe quel point du condensateur abaisseur même circuit éteint pour éviter les chocs.
• Utilisez une valeur différente de condensateur classe X si le produit demande plus de courant et tension de sortie.

Composants

• R1 : résistance 1 Ω, 5 W.
• R2 : résistance 10 Ω ; charge ≥ 10 Ω.
• R3 : résistance 470 kΩ, 1 W.
• R4 : résistance 1 Ω, 5 W.
• R5 : fusible 200 mA.
• Condensateur abaisseur de tension / condensateur classe X (composant principal) – disponible en 230 V, 400 V, 600 V CA ou plus.
• C1 : condensateur électrolytique polarisé 33 000 µF, 25 V.
• C2 et C3 : condensateurs non polarisés polyester ≥ 400 V, 10 µF.
• D1 : Diode 1N4007.
• D2 : Diode Zener 12 V, 3 W.
• D3 à D13 : 1N4007.

Conception Idéale Sans Transformateur

1. Le condensateur C1 réduit le fort courant du secteur 120 V ou 220 V à une charge CC de sortie convenablement plus faible. 1 µF de C1 produit environ 50 mA vers la charge de sortie.
2. La résistance R1 fournit un chemin de décharge pour la haute tension de C1 quand vous débranchez le circuit du secteur. C1 peut stocker 120 V ou 220 V et causer un choc haute tension en touchant les broches de la fiche débranchée. R1 décharge rapidement cette haute tension.
3. Les diodes D1 à D4 fonctionnent comme un pont redresseur convertissant le faible courant CA de C1 en faible courant CC. C1 ne limite pas la tension à 50 mA mais le courant. La CC à la sortie du pont est la valeur de crête de 220 V : 220 × 1,41 = 310 V CC. On obtient ~310 V, 50 mA à la sortie du pont.
4. 310 V est trop élevé pour une basse tension (sauf pour un relais). On utilise une diode Zener de rating correct pour dériver les 310 V CC vers un niveau bas souhaitable (ex. 24 V, 12 V).
5. La résistance R2 est la résistance de limitation de courant. Malgré C1 comme limiteur, à l'application instantanée du CA d'entrée, C1 fonctionne comme un court-circuit pendant quelques millisecondes. Durant ces ms, une haute tension CA 220 V entre dans le circuit de puissance et peut détruire la charge CC de sortie. Une meilleure parade est l'introduction d'un NTC, mais ici on utilise R2 comme limiteur.
6. Le condensateur filtrant C2 lisse principalement les ripples 100 Hz du pont redresseur initial vers un CC plus propre.

Types d'Alimentation Sans Transformateur

Deux types principaux :

1. Alimentation sans transformateur résistive : Utilise une résistance aux bornes de la résistance abaisseuse pour réduire la chaleur sous forme d'énergie. La résistance limite le courant excédentaire. La résistance abaisseuse dissipe la puissance thermique. Point notable : on trouve souvent des applications utilisant une résistance au double du rating de puissance car elle dissipe plus d'énergie que les autres types.
2. Alimentation sans transformateur capacitive : Fonctionne avec faible perte de puissance et dissipation de chaleur, la rendant plus efficace. Structure : le condensateur classe X est connecté en série aux 230 V, 400 V, 600 V. Le secteur agit comme condensateur abaisseur pour réduire la tension.

Différence : Perte d'énergie et dissipation de chaleur quasi nulles dans le capacitif (le condensateur abaisse la tension excédentaire). Le résistif dissipe l'énergie excédentaire en chaleur à travers la résistance abaisseuse.

Alimentation Sans Transformateur 12 V

Nous utilisons le schéma ci-dessus pour discuter de ce troisième type, l'alimentation sans transformateur 12 V.

Principe d'action : utilise une diode Zener, un pont redresseur, un condensateur et une résistance pour convertir 220 V CA secteur en 12 V CC.

• C1 : condensateur classe X qui abaisse la haute tension CA.
• D1–D4 : diodes du pont redresseur, convertissent CA en CC par redressement. Résultat : 230 V CA → 310 V CC élevé à cause de la valeur de crête RMS du signal CA.
• C2 : élimine les ripples de la tension CC.
• R1 : élimine le courant stocké à l'extinction du circuit. R2 : limite le courant d'appel (inrush).
• Diode Zener : supprime la tension inverse de crête, stabilise et régule la tension CC de sortie à 12 V requis.
• Pour vérifier : connectez une LED au circuit.
• Enfermez totalement le circuit dans un matériau anti-choc pour prévenir dommages et chocs électriques. On peut aussi connecter un petit transformateur d'isolement à l'entrée pour l'isoler du secteur CA.

Applications de l'Alimentation Sans Transformateur

Souvent utilisée dans les composants électroniques à faible coût et faible puissance :

• Convertisseurs analogique-numérique
• Systèmes de télécommunication
• Systèmes de communication numérique
• Circuits de régulation et diviseurs de tension
• Jouets électroniques
• Chargeurs mobiles
• Ampoules LED
• Lampes de secours

Conclusion

En résumé, un circuit d'alimentation sans transformateur est un solide remplacement pour une alimentation à transformateur, en termes d'encombrement, coût et taille. Malgré un faible courant, il a bénéficié aux appareils électriques à faibles besoins de tension.

Comme il a des spécifications dans la procédure, prenez des précautions extrêmes lors de votre DIY. Cet article vous éclairera et soulignera les étapes nécessaires. Questions ou réflexions ? Contactez-nous. Une solution à votre besoin est une solution pour le monde technologique.