Circuits redresseurs : fondamentaux, fonctionnement et directives de conception

Généralement, les appareils électroniques ont un circuit redresseur qui permet la conversion CA/CC dans les systèmes d'alimentation. L'utilisation de ce circuit est dans les dispositifs à faible puissance, tels que les chargeurs de batterie, pour redresser la basse tension produite lors du redressement.

Pour comprendre le circuit redresseur, nous devons apprendre le processus de redressement. Le redressement est responsable du changement des bits négatifs du CA provenant du secteur en tensions CC positives. Lors de la configuration de votre système idéal, vous avez besoin du bon redresseur. Par conséquent, comprendre le redresseur et la configuration des diodes sera important pour vous pour configurer votre système.

(Composants électroniques)

1. Qu'est-ce qu'un circuit redresseur ?

Un redresseur est un dispositif électrique qui convertit le courant alternatif de la tension du secteur en un courant continu unidirectionnel. Il fonctionne le plus simplement en changeant la tension CA du secteur des réseaux électriques en tension CC. Le plus important, de nombreux appareils sur lesquels nous comptons nécessitent du CC.

Le terme redresseur vient du fait que le dispositif redresse le sens du flux de courant. L'utilisation de filtres électroniques pour lisser la sortie du redresseur est une tendance croissante. Par conséquent, les redresseurs à semi-conducteurs en silicium modernes ont causé la sortie des redresseurs au sélénium, redresseurs mécaniques, redresseurs à oxyde de cuivre et redresseurs à tube vide.

Les redresseurs mécaniques et à tube vide (utilisés dans les tubes cathodiques) étaient inefficaces en raison de leur résistance interne élevée. Cependant, les redresseurs à oxyde de cuivre et au sélénium ont une meilleure tolérance de tension momentanée que le SCR (Redresseur Contrôlé au Silicium). C'est un énorme avantage sur les diodes au silicium.

(Transformateur CA vers CC avec pont de diodes et condensateur)

2. Types de redresseurs

Redresseurs monophasés et triphasés.

Dans les redresseurs monophasés et triphasés, ils subissent un redressement à demi-onde et un redressement à onde complète.

Les redresseurs monophasés ont une entrée d'alimentation CA monophasée du secteur. Les structures sont très simples. Ils nécessitent une, deux ou quatre diodes (selon le type de système).

Pour le CA monophasé, il y a un facteur de ripple élevé généré. C'est parce que ses diodes se connectent à l'enroulement secondaire du transformateur monophasé. Aussi, il utilise seulement une seule phase de la bobine secondaire du transformateur pour le redressement.

D'un autre côté, dans les redresseurs triphasés, les structures nécessitent trois ou six diodes. Une tension de ripple réduite se produit car toutes les diodes sont connectées à chaque phase de l'enroulement secondaire du transformateur. Cela crée en outre un facteur d'utilisation du transformateur élevé.

Avantages du redresseur monophasé

• Adapté aux structures simples

Avantages du redresseur triphasé

• Premièrement, il est le plus préféré lors de l'utilisation de grands systèmes
• Deuxièmement, il fournit de grandes quantités de puissance
• En plus, ne nécessite aucun composant de filtre supplémentaire pour réduire les RF
• Est efficace et a un TUF plus élevé

Inconvénients des redresseurs monophasés

• Pour commencer, il fournit une petite quantité de puissance.
• De plus, a un facteur d'utilisation du transformateur (TUF) plus faible

(Diodes)

Redresseurs à demi-onde et à onde complète

Dans le redressement à demi-onde, le redresseur bloque complètement la moitié du signal d'entrée pulsé. Ensuite, il fournit seulement une demi-période par cycle complet. Cela signifie que la moitié de l'alimentation CA source est gaspillée.

Le redressement à demi-onde nécessite une seule diode pour une alimentation monophasée ou trois pour une alimentation triphasée. Le niveau moyen de la tension redressée est la moitié du niveau de tension d'entrée. Cependant, la tension positive a le même niveau de crête que la tension d'entrée CA.

Il y a deux façons de concevoir un redresseur à demi-onde. Par exemple, dans le premier modèle, l'alimentation CA se connecte directement à la borne négative de la sortie. Le prochain design a le courant alternatif connecté directement à la borne positive de la sortie.

Avantages

• Premièrement, il a une sortie de tension élevée
• Aussi, il est bon marché car il utilise seulement une diode dans le redressement de puissance.

Enfin, il ne nécessite pas de transformateur d'alimentation

Redresseur à onde complète

Ce redresseur inverse le signal CA d'entrée négatif perdu ou bloqué. En conséquence, il améliore la valeur moyenne du signal de sortie. Il double également la fréquence de la forme d'onde de tension CA d'entrée, une fonction que le redresseur à demi-pont ne peut pas effectuer. Et, dans la forme d'onde produite, les pics d'entrée et les pics de sortie sont égaux.

Deux méthodes couramment utilisées dans la conception de redresseurs à onde complète sont : transformateur à prise centrale et circuit pont de diodes. Il fonctionne aussi comme un régulateur actif, permettant à la majorité du courant de circuler vers le circuit de charge.

Avantages

• Premièrement et avant tout, a un rendement de redressement élevé (81,2%)
• Deuxièmement, il a un RF plus bas (0,48)
• En plus, a un TUF relativement élevé

Inconvénients

• Premièrement, il nécessite un transformateur pour fonctionner
• Malheureusement, il subit une résistance interne assez importante de l'alimentation CA du secteur
• Enfin, il utilise le double de diodes qui peuvent être coûteuses

Facteur de forme :

Le facteur de forme est le rapport de la valeur RMS du courant au courant de sortie CC.

FacteurDeForme = Valeur RMS du Courant / Courant de Sortie CC.

Le facteur de forme d'un redresseur à onde complète est de 1,11.

(Image de circuit redresseur à demi-onde)

Redresseur en pont (Bridge Rectifier)

Un redresseur en pont est un convertisseur CA/CC qui redresse l'entrée CA principale en sortie CC. Le circuit en pont est un redresseur utilisé dans les alimentations qui fournissent une tension CC pour les appareils électriques et composants électroniques. Un redresseur en pont simple utilise normalement une résistance de charge. En conséquence, cela garantit que le courant circulant à travers lui est égal pendant les demi-cycles positifs et négatifs. Le redresseur en pont est l'une des parties les plus courantes des alimentations électroniques.

L'arrangement du redresseur en pont a quatre diodes adjacentes, aussi connues sous le nom de ponts de diodes. La tension inverse de crête est la tension la plus élevée enregistrée par la diode lorsqu'elle est connectée en polarisation inverse dans le demi-cycle négatif. Pendant le demi-cycle positif, deux diodes sont en position conductrice. Le paire restante est en position non conductrice du redressement en pont. La sortie du redresseur est enregistrée à travers la résistance de charge.

Avantages du redresseur en pont

• Premièrement, il a un rendement de redressement plus élevé (81,2%)
• Aussi, il a une tension de ripple réduite
• Pas de transformateur nécessaire dans l'opération du redresseur en pont
• En plus, a un TUF élevé comparé à un redresseur à prise centrale
• Enfin, il atteint des fréquences élevées en utilisant un filtrage simple

Inconvénients

• Premièrement, a des coûts de construction plus élevés car il utilise quatre diodes
• A une tension de sortie réduite en raison des chutes de tension dans le système
• Encore, les configurations du système sont assez compliquées
• Enfin, il subit une grande résistance interne lorsqu'il est utilisé avec des tensions plus basses.

Le redresseur en pont est bon. Dans le premier cycle CA, les diodes D2 et D4 sont polarisées en direct, donc conductrices. La tension positive est sur l'anode de D2, tandis que la borne cathode de D4 a une tension négative. La première moitié du signal passe à travers ces deux diodes. Pendant la seconde moitié du cycle, les diodes D1 et D3 sont polarisées en direct, donc conductrices. L'effet global est que les deux moitiés du CA peuvent passer. Après cela, la moitié négative est inversée et devient positive.

(Redresseur en pont)

Redresseurs non commandés et commandés

Redresseurs non commandés (Uncontrolled Rectifiers)

Le nom redresseurs non commandés fait référence au type de redresseur qui fournit une tension de sortie CC fixe pour une alimentation CA particulière. Les redresseurs non commandés n'utilisent que des diodes et peuvent être soit à onde complète commandée, soit à demi-onde commandée. Cependant, ils sont moins efficaces car les diodes ne peuvent être soit allumées, soit éteintes.

Redresseurs commandés (Controlled Rectifiers)

Ce circuit convertit l'alimentation CA en alimentation CC en utilisant des thyristors pour contrôler l'alimentation vers la charge. Le redresseur à demi-onde commandé consiste en un seul SCR (Redresseur Contrôlé au Silicium). Ils ont la même conception que les redresseurs non commandés, mais ils utilisent des SCR à la place. Les redresseurs à demi-onde commandés limitent le gaspillage de puissance car ils offrent un contrôle de puissance constant.

3. Comment les circuits redresseurs fonctionnent en électronique

Principe de fonctionnement des circuits redresseurs

Les circuits redresseurs fonctionnent simplement en transformant la source d'alimentation CA en une source d'alimentation CC. Il comprend des diodes imbriquées à travers le système pour créer un mouvement d'électrons uniquement vers l'avant pour alimenter les appareils. Lorsque le CA circule à travers un circuit redresseur, les diodes éliminent les variations de tension négative de la source CA. Par conséquent, il ne laisse que la tension positive. Une diode simple ne permet le flux de courant que dans un seul sens, bloquant le flux de courant dans le sens inverse.

Cette image représente une forme d'onde de tension CA provenant d'une diode redresseuse. La forme d'onde de courant a des intervalles alternés entre de courtes augmentations de tension ainsi que des périodes sans tension. C'est un courant continu car il n'a que de la tension positive.

(Diagramme de pont de diodes)

4. Précautions pour la conception du circuit redresseur

Il y a des précautions que vous devez prendre en compte lors de la conception d'un circuit redresseur dans tout dispositif électrique. Pour clarifier, nous discutons des précautions les plus importantes qui affecteront le choix de la conception du redresseur.

Demi-cycle positif

Pendant le demi-cycle positif, la tension qui apparaît à travers l'anode et la cathode est positive. Cela signifie que la diode est polarisée en direct. En supposant que le circuit se connecte à une diode idéale et que la puissance nominale est constante. La tension de crête est Vm, appelée valeur de tension de crête sans chutes de tension.

Cependant, nous devrions considérer la chute de tension sur certaines diodes comme une diode au silicium avec 0,7V (chute de tension). Elle ne devient polarisée en direct que lorsque la tension d'entrée appliquée dépasse la tension de seuil (0,7V). Donc, le circuit commence à conduire.

Tension de crête = Vm – 0,7V (chute de tension)

Demi-cycle négatif

C'est différent avec un demi-cycle négatif car la tension apparaissant à travers l'anode et la cathode est négative. La diode dans le circuit redresseur est polarisée en inverse, agissant donc comme un interrupteur ouvert. Cela mène à aucun flux de courant. Cela résulte en une lecture de tension nulle à la sortie.

De plus, dans le demi-cycle négatif, même en considérant la diode utilisée, la tension à travers la diode est négative. Signifiant que la lecture à la sortie sera toujours 0V.

Chutes de tension :

La tension du secteur transporte généralement beaucoup de puissance. La perte partielle de puissance du potentiel électrique d'un courant en se déplaçant à travers un circuit s'appelle chute de tension.

VD = (2 * L * R * I) / 1000

Calcul de la chaleur dissipée dans le redresseur :

Généralement, c'est la chaleur perdue dans le processus de redressement car les chutes de tension et la résistance se produisent dans les diodes. Par conséquent, la connaissance des chutes de tension des diodes spécifiques utilisées dans le circuit est importante.

Pchaleur (Perte de Puissance) = Pmax (Puissance de sortie maximale du système) / Eff (Efficacité du module redresseur) – Pmax (Puissance de sortie maximale du système).

Tension inverse de crête :

PIV fait référence à la tension maximale qu'une diode peut supporter en polarisation inverse. Donc, si elle est dépassée, les diodes peuvent claquées. La tension inverse de crête est égale à la tension d'entrée.

La tension inverse de crête (PIV) = 2 Vs max = 2 V_smax.

5. Le condensateur de lissage

Un condensateur de lissage est un système qui égalise les variations dans l'alimentation d'un signal. Ils sont principalement appliqués après un redresseur ou une tension d'alimentation. Pendant les demi-cycles, des transitions douces sont créées lorsque le condensateur se charge et se décharge. Le processus de charge se produit lorsque le courant circule à travers les demi-cycles positifs.

Redresseur à onde complète avec condensateur de lissage

Le condensateur de lissage aide à améliorer le ripple de sortie incomplet à travers les diodes. Donc, le condensateur de lissage se connecte en parallèle aux diodes pour maintenir une tension stable dans le circuit de charge.

Le placement de la charge tombe à la sortie du redresseur en pont à onde complète. Le condensateur augmente alors la sortie CC. En conséquence, le condensateur de lissage convertit la sortie ondulée du redresseur en une sortie CC plus lisse.

La tension de ripple est inversément proportionnelle à la valeur du condensateur de lissage. Les deux valeurs sont liées par

V_ripple = I_load / (f x C)

Alternativement, on peut utiliser un circuit intégré régulateur de tension pour une alimentation CC constante.

Condensateur de lissage 5µF

La charge et la capacitance à travers un condensateur de lissage 5µF varient selon la connexion dans le circuit. La capacitance équivalente sera la somme de tous les condensateurs connectés dans le circuit pour un condensateur en connexion parallèle.

Condensateur de lissage 50µF

De même, le même principe s'applique ici pour un condensateur de lissage 50µF. La tension dans une connexion de circuit parallèle est la même pour tous les condensateurs. Cependant, le 50µF fait un condensateur de lissage plus fort comparé au condensateur 5µF.

(Image de condensateurs)

6. Conclusion

Une large gamme de dispositifs utilisant des circuits redresseurs a été établie dans cet article. Une application est les régulateurs de tension, tandis qu'une autre utilisation courante inclut les composants d'alimentation et les détecteurs de modulation d'amplitude (AMD) utilisés pour les signaux radio. Le dispositif était aussi autrefois communément connu comme un détecteur à cristal dans les premiers récepteurs radio.

Nous espérons que cet article répond à toutes vos questions sur les circuits redresseurs. N'hésitez pas à nous contacter pour les composants de base de la fabrication de votre circuit redresseur. Nous nous réjouissons de vous assister dans vos projets.