Alimentations sans transformateur : une solution éprouvée pour réduire les coûts et l'encombrement

Généralement, un transformateur abaisseur ou une alimentation à découpage convertit la haute tension alternative du secteur en une basse tension alternative, puis la transforme en une tension continue basse souhaitée. Bien que ce processus soit efficace, il est coûteux et occupe plus d'espace lors de la conception ou de la fabrication d'un produit. Pour réduire ces contraintes, on utilise une alimentation sans transformateur. Aujourd'hui, nous allons explorer plus en détail ce type d'alimentation, en discutant de son principe de fonctionnement, de ses types et en proposant des schémas de circuits simples que vous pouvez tester.

Un transformateur abaisseur

Qu'est-ce qu'une alimentation sans transformateur ?

Comme son nom l'indique, une alimentation sans transformateur produit une tension continue basse à partir d'une tension alternative élevée, sans utiliser de transformateurs ni d'inductances.

(inductances)

Principe de fonctionnement

Le principe de fonctionnement d'une alimentation sans transformateur repose sur la conversion d'une tension alternative monophasée élevée en une tension continue basse. Le concept utilise un circuit diviseur de tension fonctionnant sans inductances ni transformateurs. De plus, le circuit d'alimentation intègre des processus tels que la limitation du courant d'appel, la division de tension, la régulation et la redressement.

Fonctionnement du schéma ci-dessus :

• L'objectif est de convertir la haute tension alternative monophasée (230V/120V) en une tension continue basse requise (5V/3V/12V).
• Les diodes redressent et régulent la haute tension alternative en tension continue basse.
• Le condensateur (en série avec le secteur) limite le passage du courant alternatif grâce à sa réactance, fixant ainsi le courant à une valeur spécifique selon le type d'alimentation sans transformateur. Un condensateur de classe X est toujours préférable.
• La résistance aide à dissiper le courant et la chaleur excédentaires.
• Le pont redresseur élimine les variations de tension et, par un processus de redressement, stabilise la tension de crête.
• La connexion à une ampoule LED permet enfin de tester le fonctionnement du circuit.

Types d'alimentations sans transformateur

Les deux types de base d'alimentation sans transformateur sont :

Alimentation sans transformateur résistive

Ce type utilise une résistance de chute de tension. Sa résistance aide à éliminer l'excès de chaleur. Une résistance de puissance à double puissance nominale est souvent recommandée car elle dissipe plus de puissance.

Alimentation sans transformateur capacitive

Inversement, l'alimentation sans transformateur capacitive présente de faibles pertes de puissance et de dissipation de chaleur. Ici, un condensateur de classe X (400V, 230V ou 600V) sert de condensateur de chute de tension et absorbe l'excès de tension.

Avantages et inconvénients

Avantages

• Son design est peu coûteux et convient aux applications de faible puissance par rapport aux circuits basés sur transformateur.
• Il est moins volumineux et compact, nécessitant donc moins d'espace.

Inconvénients

• Une alimentation sans transformateur ne peut pas générer un courant de sortie élevé (1 Ampère). Elle ne convient donc qu'aux applications nécessitant un courant inférieur ou égal à 1 Ampère.
• Il n'y a pas d'isolement du circuit par rapport au potentiel du secteur, ce qui représente un danger pour l'utilisateur.
• Ses dissipations de chaleur excessives interfèrent avec la tension de sortie.
• Elle autorise les surtensions qui peuvent détruire le circuit d'alimentation et le circuit alimenté.

Heureusement, les exemples de circuits ci-dessous apportent des solutions à certains de ces défis. Continuez votre lecture.

Quatre circuits d'alimentation sans transformateur simples expliqués

Design de base sans transformateur

Un design de circuit de base sans transformateur

Fonctionnement et conception du circuit

• C1 réduit le courant alternatif élevé (120V ou 220V secteur) à un courant continu plus faible pour une meilleure charge de sortie continue.
• Lorsque vous débranchez le circuit du secteur, R1 fournit un chemin de décharge pour la haute tension de C1, évitant ainsi tout choc électrique sur les broches de la prise lorsque C1 n'est pas alimenté.
• D1 à D4 sont des diodes de pont redresseur. Elles convertissent le courant alternatif faible provenant de C1 en courant continu faible.
• La tension continue résultante est trop élevée pour la plupart des dispositifs basse tension, sauf pour un relais. Une diode Zener dérivera la haute tension vers une valeur recommandée selon vos besoins.
• R2 est la résistance de limitation de courant. C1 ne présente un court-circuit que pendant quelques millisecondes à la première application du secteur. Ces quelques millisecondes permettent un courant alternatif élevé dans le circuit mais peuvent détruire la charge de sortie. R2 prévient donc ce dommage.
• Enfin, C2 agit comme condensateur de filtrage. Il transforme les ondulations à 100Hz du pont redresseur en un courant continu plus propre.

Mise à niveau vers une alimentation sans transformateur à tension stabilisée

Ici, nous transformerons un circuit d'alimentation capacitive en une alimentation sans transformateur à tension stabilisée, variable ou sans surtension.

Le circuit après mise à niveau vers une alimentation sans transformateur à tension stabilisée

Conception/Fonctionnement du circuit

• Les diodes IN4007 redressent la tension du secteur tandis que le condensateur 10uF/400V le filtre. La tension de crête résultante, redressée à partir du secteur, atteint 310V.
• La base du TIP122 (vous pouvez aussi utiliser MJE13005) configure le réseau diviseur de tension, maintenant ainsi une tension de sortie requise. De plus, vous pouvez obtenir 12V en réglant le potentiomètre 10k entre la masse/l'émetteur du TIP122.
• Le condensateur 220uF/50V crée une tension nulle momentanée à la base pour le couper s'il est allumé dans un circuit sous tension.
• De plus, pendant la période d'allumage, l'inductance, via la bobine, limite les courants d'appel entrant dans le circuit. Elle offre également une haute résistance, prévenant ainsi les dommages.

À retenir : vous pouvez également utiliser un régulateur de tension, le IC7805, pour obtenir une tension abaissée attachée ou une tension de 5V.

Circuit d'alimentation sans transformateur à détection de passage par zéro

Notre troisième projet s'applique principalement à une alimentation sans transformateur capacitive pour la détection de passage par zéro. En effet, les condensateurs agissent comme des courts-circuits pendant quelques millisecondes lorsqu'ils reçoivent une tension d'alimentation. Ensuite, ils se chargent et reviennent à leur niveau de sortie spécifié.

Conception et fonctionnement du circuit

Circuit d'alimentation sans transformateur à passage par zéro

Passage par zéro dans le secteur alternatif

Un potentiel de secteur alternatif comprend des cycles de tension qui montent et descendent de zéro au maximum ou vice versa avec des polarités.

Lorsque la tension du secteur approche du pic du cycle, elle a un courant et une tension élevés. L'allumage de l'alimentation capacitive provoque la rupture de la haute tension à travers la charge continue et l'alimentation.

Inversement, lors d'un passage par zéro du secteur, celui-ci présente une tension et un courant faibles lorsqu'il approche du zéro de phase. Par conséquent, allumer un dispositif à ce moment est sûr et ne peut subir aucun courant d'appel.

En bref, allumer une alimentation capacitive lorsque l'entrée alternative passe par le zéro de phase empêche le courant d'appel.

Comment cela fonctionne

• La mise sous tension initiale maintient le triac à l'état OFF en raison de l'absence de driver de gate. De plus, la charge connectée au réseau de pont reste à l'état OFF.
• Ensuite, la tension de sortie du condensateur 105V/400V passe par les broches 1/2 de l'optocoupleur IC pour atteindre la LED IR. La réponse lumineuse de la LED IR aide à surveiller et traiter l'entrée. Ainsi, lorsque le circuit détecte le cycle alternatif approchant un point de passage par zéro, le commutateur interne bascule.
• Enfin, il déclenche le triac, maintenant ainsi un état allumé au niveau de l'unité jusqu'à ce que vous l'éteigniez à nouveau.

Alimentation sans transformateur à commutation utilisant le CI 555

La solution finale implique l'utilisation du CI 555 en mode monostable pour réguler le pic de courant d'appel. De plus, le CI 555 intègre le concept de circuit de commutation à passage par zéro.

CI temporisateur 555

Définition de la commutation à passage par zéro

Une onde sinusoïdale dans un secteur alternatif commence à partir d'un repère de potentiel zéro. Ensuite, elle monte progressivement jusqu'à un point de tension de crête (120 ou 220). Ensuite, elle revient à la marque initiale de zéro probable. Nous appelons ce cycle un cycle positif.

Après le cycle positif, la forme d'onde retombera et répétera le processus ci-dessus, mais dans une direction négative jusqu'à atteindre la marque zéro. Selon les besoins du secteur, le cycle du circuit peut se produire 50 à 60 fois par seconde.

Lorsque la forme d'onde entre dans le circuit, tout point sans passage par zéro perturbe le pic de commutation ON. La raison immédiate est due au courant élevé de la forme d'onde. La charge doit faire face à l'interrupteur ON pendant le passage par zéro pour éviter tout problème. Ainsi, une montée progressive ne présentera pas de danger.

Circuit de commutation sans transformateur utilisant IC555

Fonctionnement du circuit

D'après notre schéma de circuit ci-dessus :

• Les quatre diodes 1N4007 fonctionnent comme une configuration standard de pont redresseur, la jonction cathodique produisant une ondulation à 100 Hz.
• Le diviseur de potentiel 47k/20K abaisse la fréquence de 100 Hz, qui parvient ensuite au rail positif du CI555. Le potentiel reçoit une régulation, puis C1 et D1 le filtrent.
• Via une résistance de 100k, la base de Q1 reçoit également le potentiel.
• Lorsque le secteur alternatif est au-delà de (+) 0.6, Q1 maintient un état OFF. Cependant, la forme d'onde alternative tombant en dessous de (+)0.6 Volts allume Q1. De plus, elle met la broche 2 à la masse puis produit une sortie positive sur la broche 3 du CI.
• Ensuite, la sortie du CI allume la charge et le SCR et maintient l'état jusqu'à la fin de la période MMV. Puis, un nouveau cycle commence.
• Un temps ON stable génère un courant supplémentaire vers la charge, contribuant à une LED plus brillante. Vous pouvez également varier le pré-réglage 1M pour définir le temps ON de votre monostable. Le circuit CI555 est limité à un alternatif proche de zéro, donc pas de surtension pendant le temps ON.

Applications de l'alimentation sans transformateur

Les applications d'une alimentation sans transformateur concernent principalement des dispositifs à faible coût et faible puissance comme :

• Convertisseurs analogique-numérique,
• Ampoules LED,

(Ampoules LED)

• Systèmes de communication numérique,
• Chargeurs mobiles,
• Jouets électroniques,
• Récepteurs TV,
• Éclairages de secours,

(éclairages de secours)

• Systèmes de télécommunications, et
• Circuits de régulation et division de tension.

Conclusion

En somme, les circuits d'alimentation sans transformateur ont indéniablement remplacé les alimentations basées sur transformateur. Leur production de faible courant bénéficie aux applications basse tension. De plus, elles sont bon marché et compactes.

L'article explique les moyens de réaliser vos propres circuits sans transformateur avec les étapes nécessaires. Cependant, si vous souhaitez encore plus d'informations, n'hésitez pas à nous contacter.