Alimentation électrique : Définition, fonctions et composants

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Définition : Une alimentation est un circuit électronique conçu pour fournir diverses tensions alternatives et continues pour le fonctionnement d’un équipement.

Le bon fonctionnement d’un équipement électronique nécessite un certain nombre de tensions de source. De faibles tensions continues sont nécessaires pour faire fonctionner les circuits intégrés et les transistors. Des tensions élevées sont nécessaires pour faire fonctionner les tubes cathodiques et autres dispositifs. Les batteries peuvent fournir toutes ces tensions.

Cependant, l’électricité pour les appareils électriques et électroniques est généralement fournie par la compagnie d’électricité locale. Cette électricité sort d’une prise de courant à 115 volts ac, avec une fréquence de 60 Hertz. Des tensions différentes sont nécessaires pour faire fonctionner certains équipements.

Fonctions de l’alimentation électrique

Le circuit d’alimentation électrique complet peut effectuer ces fonctions :

  1. Élever ou abaisser les tensions, par l’action du transformateur, jusqu’à la tension de ligne alternative requise.
  2. Prévoir une méthode de division de la tension pour répondre aux besoins des équipements.
  3. Changer la tension alternative en tension continue pulsée par redressement demi-onde ou pleine onde.
  4. Filtrer la tension continue pulsée en une tension continue pure et régulière pour l’utilisation de l’équipement.
  5. Réguler la sortie de l’alimentation électrique en proportion de la charge appliquée.

Composants de l’alimentation électrique

Un schéma fonctionnel illustrant ces fonctions est présenté à la figure 1. Notez que certaines fonctions ne se retrouvent pas dans toutes les alimentations. Voir la figure 2 pour les composants d’une alimentation commerciale typique.

Figure 1. Schéma fonctionnel des composants de l’alimentation électrique. L’entrée est de 117 volts ac. Les processus utilisés dans une alimentation typique sont indiqués sous les blocs. La sortie de l’alimentation peut être en courant continu ou alternatif. La sortie de cette alimentation est de cinq volts cc.

Figure 2. Alimentation en courant continu régulée. (Knight Electronics)

Transformateurs de puissance Diodes

Le premier dispositif d’une alimentation est le transformateur. Son but est d’élever ou d’abaisser la tension de la source alternative aux valeurs nécessaires à l’utilisation de la radio, de la télévision, de l’ordinateur ou d’autres circuits électroniques.

La plupart des transformateurs n’ont pas de connexion électrique entre les enroulements secondaire et primaire. Voir la figure 3. Cela signifie que le transformateur isole le circuit connecté au primaire du circuit connecté dans le secondaire.

L’isolation est un terme qui signifie qu’il n’y a pas de connexions électriques entre le primaire et le secondaire sur le transformateur.

Figure 3. L’isolement dans un transformateur.

Un transformateur d’isolement est un transformateur qui a pour but spécifique d’isoler le circuit primaire du circuit secondaire.

L’utilisation d’un transformateur d’isolement est un élément de sécurité car il permet d’éviter les chocs dans le secondaire. Notre corps ou nos mains doivent être joints à travers les deux fils des connexions secondaires pour recevoir un choc.

La condition de sécurité décrite ci-dessus ne se vérifie pas dans le primaire avec le ca commercial fourni par la compagnie d’électricité. L’une des connexions est chaude, ce qui signifie qu’elle est sous tension électrique. L’autre est mise à la terre, ou neutre. Si vous vous tenez sur le sol en touchant la connexion chaude, vous recevrez un choc. Toucher la connexion à la terre seule n’entraînera pas de choc.

Les enroulements secondaires peuvent être branchés pour fournir différentes tensions. Une prise placée à mi-chemin entre les deux extrémités d’un enroulement secondaire est appelée une prise centrale.

De nombreuses alimentations utilisent un enroulement secondaire de transformateur à prise centrale. Les tensions prises, figure 4, sont déphasées de 180 degrés par rapport à la prise centrale.

On trouve une variété de transformateurs dans presque tous les appareils électroniques. Vous devez comprendre la théorie de base et le but du transformateur. Revoyez le chapitre 12 si nécessaire.

Une leçon de sécurité

Les transformateurs produisent des tensions élevées qui peuvent être très dangereuses. Il faut faire preuve de respect et d’une extrême prudence en tout temps lorsqu’on travaille avec des hautes tensions ou qu’on les mesure.

Figure 4. Un transformateur à prise centrale.

Rectification demi-onde et pleine onde

Après qu’une tension soit passée par le transformateur d’une alimentation, l’étape suivante est la rectification.

Le processus de transformation d’un courant alternatif en un courant continu pulsé est appelé redressement.

Lorsqu’on change un signal alternatif en courant continu, il existe deux types de redressement : le redressement demi-onde et le redressement pleine onde.

Avec le redresseur demi-onde, seule la moitié du signal d’entrée passe par le redresseur. Avec le redresseur pleine onde, c’est toute l’onde d’entrée qui passe.

Rectification demi-onde

Sur la figure 5, la sortie d’un transformateur est connectée à une diode et une résistance de charge qui sont en série. La tension d’entrée du transformateur apparaît comme une onde sinusoïdale.

La polarité de l’onde s’inverse à la fréquence de la tension appliquée. La tension de sortie du secondaire du transformateur apparaît également comme une onde sinusoïdale. L’amplitude de l’onde dépend du rapport des tours du transformateur. La sortie est déphasée de 180 degrés par rapport au primaire.

Le sommet du transformateur (point A) est joint à l’anode de la diode. Notez que le côté B du transformateur est relié à la masse.

Pendant le premier demi-cycle, le point A est positif. La diode est conductrice, produisant une chute de tension aux bornes de la résistance R égale à IR. Pendant le second demi-cycle, le point A est négatif. L’anode de la diode est également négative. Aucune conduction n’a lieu, et aucune chute IR n’apparaît aux bornes de R.

Figure 5. Schéma de base d’un redresseur à diodes.

Un oscilloscope connecté aux bornes de R produit la forme d’onde représentée à droite sur la figure 6. La sortie de ce circuit est constituée d’impulsions de courant circulant dans un seul sens et est à la même fréquence que la tension d’entrée. La sortie est un courant continu pulsé.

Figure 6. Formes d’onde d’entrée et de sortie d’un redresseur à diodes.

Seule la moitié de l’onde d’entrée alternative est utilisée pour produire la tension de sortie. Ce type de redresseur est appelé redresseur demi-onde.

Regardez la polarité de la tension de sortie dans la figure 6. Une extrémité de la résistance R est reliée à la terre. Le courant circule de la masse vers la cathode. Cette connexion rend l’extrémité de R connectée à la cathode positive, comme le montre la figure 5.

On peut réaliser un redresseur négatif en inversant la diode dans le circuit, figure 7. La diode est conductrice lorsque la cathode devient négative entraînant l’anode à devenir positive.

Le courant à travers R irait de l’anode à la masse rendant l’extrémité anodique de R négative et l’extrémité de masse de R plus positive.

Les tensions prises aux bornes de R, la sortie, seraient négatives par rapport à la masse. Ce circuit est appelé une diode inversée. Il est utilisé lorsqu’une tension d’alimentation négative est nécessaire.

Figure 7. Une diode inversée produit une tension négative.

Il est possible d’avoir une alimentation qui assure un redressement demi-onde sans utiliser de transformateur. Ce circuit n’est pas isolé. Il n’y a pas d’élévation ou d’abaissement des tensions de courant. Ce circuit est une conception plus simple et moins coûteuse, et comme il n’y a pas de transformateur, il peut être utilisé dans des espaces plus réduits, figure 8.

Figure 8. Redressement demi-onde sans transformateur.

Rectification pleine onde

La sortie de tension continue pulsée d’un redresseur demi-onde peut être filtrée en une tension continue pure. Cependant, le redresseur demi-onde n’utilise qu’une moitié de l’onde alternative d’entrée.

Une meilleure action de filtrage peut être obtenue en utilisant deux diodes. Avec cette configuration, les deux demi-cycles de l’onde d’entrée peuvent être utilisés.

Les deux demi-cycles à la sortie ont la même polarité dans ce redresseur pleine onde. La figure 9 suit le premier demi-cycle. La figure 10 suit le second demi-cycle.

Figure 9. Les flèches indiquent le courant dans le redresseur pleine onde pendant le premier demi-cycle.

Figure 10. Le sens du courant pendant le deuxième demi-cycle.

Pour produire ce redressement pleine onde, une prise centrale est réalisée sur l’enroulement secondaire. Cette prise est reliée à la terre.

Sur la figure 9, le point A est positif et l’anode de la diode D1 est positive. Le flux d’électrons est représenté par les flèches. Pendant la deuxième moitié du cycle d’entrée, le point B est positif, l’anode de la diode D2 est positive et le courant circule comme indiqué sur la figure 10.

Quoi que soit la diode conductrice, le courant à travers la résistance de charge R est toujours dans la même direction. Les demi-cycles positifs et négatifs de la tension d’entrée provoquent le courant à travers R dans la même direction.

La tension de sortie de ce redresseur pleine onde est prise aux bornes de R. Elle est constituée d’impulsions de courant continu à deux fois la fréquence de la tension d’entrée, figure 11. Pour produire ce redressement pleine onde dans ce circuit, la tension secondaire a été coupée en deux par la prise centrale.

Figure 11. Les formes d’onde de l’entrée et de la sortie du redresseur à diodes pleine onde.

Les diodes, D1 et D2, utilisées dans les figures 9 et 10, sont conditionnées à la fois individuellement et par paires. La figure 12 montre un boîtier à deux redresseurs. Le fil central est utilisé comme connexion pour les cathodes. Les cathodes sont câblées ensemble.

Figure 12. Diodes doubles avec une prise centrale.

Redresseurs en pont

Il n’est pas toujours nécessaire d’utiliser un transformateur à prise centrale pour un redressement pleine onde. La tension secondaire complète peut être redressée en utilisant quatre diodes dans un circuit appelé pont redresseur, figures 13 et 14. Deux circuits sont présentés afin que le courant puisse être observé dans chaque demi-cycle.

Figure 13. Courant dans le pont redresseur pendant le premier demi-cycle.

Figure 14. Courant dans le pont redresseur pendant le deuxième demi-cycle.

Sur la figure 13, le point A du secondaire du transformateur est positif. Le courant circule dans le sens des flèches. Lorsque le point B est positif, le courant circule comme dans la figure 14.

De nouveau, remarquez que le courant à travers R est toujours dans un sens. Les deux moitiés de la tension d’entrée sont redressées et la pleine tension du transformateur est utilisée.

Les redresseurs en pont peuvent être utilisés dans des circuits sans transformateur. Sans transformateurs, la tension ou le courant ne sera pas augmenté ou diminué. Il n’y aura pas d’isolation. Ces circuits sont également appelés circuits en pont fonctionnant en ligne, figure 15.

Caution

Connecter un oscilloscope directement à un pont redresseur fonctionnant en ligne entraînera une masse morte lorsque la masse de l’oscilloscope est connectée au pont de tension de ligne. Un transformateur d’isolement avec un rapport de 1 à 1 doit être utilisé pour éviter que le fil de masse de l’oscilloscope soit connecté au conducteur chaud.

Figure 15. Circuit de pont redresseur fonctionnant en ligne.

La sortie du redresseur demi-onde ou pleine onde est une tension pulsée. Avant de pouvoir l’appliquer à d’autres circuits, les pulsations doivent être réduites. Un courant continu plus stable est nécessaire. Il peut être obtenu à l’aide d’un réseau de filtres.

Dans la figure 16, la ligne, Eavg, montre la tension moyenne de l’onde continue pulsée. Elle est égale à 0,637 × la tension de crête. La partie ombrée de l’onde au-dessus de la ligne moyenne est égale en surface à la partie ombrée en dessous de la ligne.

Le mouvement au-dessus et en dessous de la tension moyenne est appelé l’ondulation du courant alternatif. C’est cette ondulation qui nécessite un filtrage.

Le pourcentage d’ondulation par rapport à la tension de sortie doit être maintenu à une faible valeur. Le pourcentage d’ondulation peut être trouvé en utilisant la formule:

Figure 16. Valeur moyenne de la sortie du redresseur pleine onde.

Filtres à condensateur

Un condensateur connecté aux bornes de la sortie du redresseur assure une certaine action de filtrage, figure 17. Le condensateur est capable de stocker des électrons.

Lorsque la diode ou le redresseur est conducteur, le condensateur se charge rapidement pour se rapprocher de la tension de crête de l’onde. Il n’est limité que par la résistance du redresseur et la réactance des enroulements du transformateur.

Entre les pulsations de l’onde, la tension du redresseur chute. Le condensateur se décharge alors à travers la résistance de la charge.

Le condensateur, en fait, est une chambre de stockage pour les électrons. Il stocke les électrons à la tension de pointe et fournit ensuite des électrons à la charge lorsque la sortie du redresseur est faible. Voir figure 18.

Figure 17. Action de filtrage d’un condensateur.

Figure 18. Entrée et sortie du filtre à condensateur montrant le changement de la forme d’onde.

Les condensateurs utilisés à cette fin sont de type électrolytique car de grandes capacités sont nécessaires dans un espace limité. Les valeurs courantes des condensateurs vont de 4 à 2000 microfarads. Les tensions de travail des condensateurs doivent être supérieures à la tension de crête du redresseur.

Filtres LC

L’action de filtrage peut être améliorée en ajoutant une self en série avec la charge. Ce circuit de filtre LC apparaît sur la figure 19. La self de filtrage est constituée de nombreuses spires de fil enroulées sur un noyau de fer laminé.

Figure 19. Un filtrage supplémentaire est produit par la self en série avec la charge.

Rappelons que l’inductance était la propriété d’un circuit qui résistait à une variation de courant. Une augmentation du courant induisait une contre-électromécanique qui s’opposait à cette augmentation. Une diminution du courant induit une contre-fréquence qui s’oppose à la diminution. Par conséquent, la bobine d’arrêt s’oppose constamment à tout changement de courant. Pourtant, elle offre très peu d’opposition à un courant continu.

Les selfs utilisées dans les radios ont des valeurs de 8 à 30 henrys. Les valeurs de courant vont de 50 à 200 milliampères.

Des selfs plus grandes peuvent être utilisées dans les émetteurs et autres appareils électroniques. L’action de filtrage résultant de la self de filtrage est illustrée à la figure 20.

Figure 20. Les formes d’onde montrent l’action de filtrage du condensateur et de la self ensemble.

Un deuxième condensateur peut être utilisé dans la section de filtrage après la self, pour fournir plus d’action de filtrage. Voir la figure 21. L’action de ce condensateur est similaire à celle du premier condensateur. La configuration du circuit apparaît comme la lettre grecque π. Le filtre est appelé un filtre à section pi (π).

Figure 21. Filtre de section Pi (π).

Lorsque le premier composant de filtrage est un condensateur, le circuit est appelé filtre d’entrée à condensateur. Lorsque la self est le premier composant de filtrage, on parle de filtre d’entrée à self, figure 22. Le filtre d’entrée à selfs ressemble à un L inversé, c’est pourquoi il est également appelé filtre à section L. Plusieurs de ces sections de filtre peuvent être utilisées en série pour fournir un filtrage supplémentaire.

Figure 22. Filtre L d’entrée de la self

Dans le filtre d’entrée de la self, le condensateur se charge à la tension de crête de l’onde redressée. Dans l’entrée à self, le courant de charge du condensateur est limité par la self. Le condensateur ne se charge pas à la tension de crête. Par conséquent, la tension de sortie de l’alimentation utilisant le filtre d’entrée du condensateur est plus élevée que celle utilisant le filtre d’entrée de la self.

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