Doubleur de tension : Alternative légère et économique aux circuits transformateur-redresseur

Envisagez-vous de construire un équipement de test haute tension DC ? Un tel dispositif est nécessaire pour tester ou construire des appareils électroniques nécessitant une haute tension DC, comme les fours à micro-ondes et les tubes cathodiques. Bien qu'il soit possible d'utiliser un transformateur élévateur et un redresseur, les transformateurs sont lourds et chers. Un doubleur de tension est une meilleure alternative ne nécessitant que quelques composants. Nous détaillons tout si vous voulez en construire un. Mais d'abord, définition et types de doubleurs.

Qu'est-ce qu'un doubleur de tension ?

Un doubleur de tension est un circuit multiplicateur de tension avec un facteur de multiplication de deux. Il prend une tension AC en entrée et produit une tension DC équivalente à deux fois la tension de crête d'entrée.

Le circuit remplit ainsi deux rôles : transformateur élévateur (hausse la tension de crête AC) et redresseur (convertit AC en DC).

Comme ce sont des multiplicateurs de tension, les doubleurs constituent les blocs de base (étages unitaires) de circuits d'ordre supérieur.

On peut cascader des étages identiques pour créer des tripleurs, quadrupleurs, etc. Un tripleur a 3 diodes et 3 condensateurs, un quadrupleur en a 4 chacun. Le circuit peut monter jusqu'à la tension souhaitée.

Comment fonctionne un circuit doubleur de tension ?

Un doubleur comporte quatre composants discrets qui amplifient la tension et forcent le courant dans un sens : deux diodes et deux condensateurs.

Le circuit arrange les composants pour qu'une diode conduise pendant chaque demi-cycle de la tension AC. Au demi-cycle positif, la diode D2 est bloquée, seul C1 se charge à la tension de crête d'entrée.

Au demi-cycle négatif, D1 se bloque, D2 conduit et charge C2. Mais C1 était déjà chargé au cycle précédent. Cette tension s'ajoute à la tension AC entrante.

Le résultat est un doublement de la tension de crête AC au niveau de C2, mais cette fois en DC car le courant ne circule que dans un sens. Le doubleur agit comme une pompe de charge, délivrant 2×Vin.

Types de doubleur de tension

• Doubleur de tension à demi-onde (Half Wave)
• Doubleur de tension à onde complète (Full Wave)

Avantages du doubleur de tension

• Alternative moins chère et plus légère qu'un transformateur
• Peut créer une tension négative en inversant la polarité des diodes et condensateurs
• Facile d'augmenter le facteur de multiplication en cascadeant des doubleurs identiques

Circuit doubleur de tension DC

Pour construire un circuit doubleur DC (demi-onde ou onde complète), il vous faut :

• Circuit imprimé (ou platine d'essai et fils)
• Deux diodes
• Deux condensateurs

Voyons en détail le fonctionnement des deux types. Mais d'abord, l'entrée AC :

Tension d'entrée AC

L'onde AC a des demi-cycles positifs et négatifs. L'explication ci-dessous décrit ces deux cycles ; le doublement se répète à chaque cycle.

V_m est la tension de crête, V_in la tension d'entrée. V_m = V_in à la crête, nous utiliserons V_m dans les équations.

Doubleur à demi-onde (Half Wave)

Avec la polarité comme sur le schéma, la tension d'entrée polarise inversement D2 (côté N au +, côté P au –). D1 est polarisée en direct (P au +, N au –).

On peut redessiner : D1 = court-circuit (conducteur), D2 = circuit ouvert. Loi de Kirchhoff pour la tension aux bornes de C1 (V_c1) :

V_m – V_c1 = 0 → V_c1 = V_m

Au demi-cycle négatif, la polarité s'inverse :

Vin polarise D2 en direct (N au –, P au +), D1 est inversée. Redessin : D1 = ouvert, D2 = court-circuit.

Loi de Kirchhoff pour C2 :

–V_m – V_m + V_c2 = 0

–V_m = tension d'entrée (polarité négative)

Second V_m = tension aux bornes de C1 (chargé au cycle précédent)

Donc V_c2 = 2 V_m

Si on connecte une charge aux bornes de C2, on obtient le double de la tension de crête d'entrée : l'effet doubleur.

C1 agit comme dispositif de stockage (pas de chemin de décharge). Au cycle négatif, il se met en série avec la source, les tensions s'additionnent.

Doubleur à onde complète (Full Wave)

Avec un doubleur à onde complète, on mesure la tension aux bornes de C1 et C2. Au cycle positif, Vin polarise D1 en direct, D2 en inverse.

D1 court-circuite et charge C1. D2 est circuit ouvert, C2 ne charge pas.

Loi de Kirchhoff : V_m – V_c1 = 0 → V_c1 = V_m

Au cycle négatif, D1 s'inverse, D2 se polarise en direct :

Loi de Kirchhoff : –V_m + V_c2 = 0 → V_c2 = V_m

C1 était chargé au cycle précédent, les deux sont à V_m. Une charge aux bornes des deux condensateurs donne 2 V_m.

Quelle est la différence ?

Les équations semblent similaires. La différence : le demi-onde charge C1 au premier cycle puis le décharge au second, créant un ripple de tension égal à la fréquence d'alimentation, difficile à lisser. La courbe de sortie n'est pas très lisse.

L'onde complète agit comme deux redresseurs demi-onde. La courbe de sortie est plus lisse.

Note : pour les deux circuits, on suppose que C1 et C2 sont initialement déchargés.

Applications du doubleur de tension

• Pompes ioniques
• Tubes cathodiques TV (CRT)
• Systèmes à rayons X
• Photocopieuses
• Équipements radar
• Tubes à ondes progressives
• Fours à micro-ondes
• Tueurs d'insectes (bug zappers)

Résumé

En conclusion, les doubleurs de tension sont des circuits vitaux dans de nombreux appareils car ils sont peu coûteux et légers comparés aux transformateurs.

Les circuits transformateur-redresseur produisent des courbes de tension DC bien plus lisses, mais en pesant le pour et le contre, les doubleurs ont l'avantage.

De plus, on peut ajouter des circuits de filtrage au doubleur pour lisser la sortie et égaler un transformateur-redresseur.

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