Floyd Redressement

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I

APERU DU CHAPITRE

I

oBrEcTrFs CHAPTTRE I INTRODUCTION DUE x p l i q u e rt a n a l y s el r e e fonctionnement des redresseurs simplealternance Expliquer analyser et le fonctionnement des redresseurs doublealternance E x p l i q u e rt a n a l y s el r e e fonctionnement les et caractristiques filtresde de b l o cd ' a l i m e n t a t i o n E x p l i q u e rt a n a l y s el r e e fonctionnement diodes des de limitation de tixation et de niveaude tension Expliquer analyser foncet le tionnementdes multiplicateu rs de tension diode lnterprter utiliser et une fiche technique diode de Dpanner circuits diodes des e n u t i l i s a nd e st e c h n i q u e s t a0mrsesI t.

2-1 2-2z--)11

Redresseurs simplealternance Redresseurs clouble alternance Filtres e bloc d d'alimentation l C i r c u i t si m i t e u r s t e de fixationde niveau M u l t i p l i c a t e u ds re tensron Fiche echnique e t d la diode Dpannage Projet rel

n nn

2-4 2-5 2-6 2-7 2-B

!

n ntr

Au cnaprtre voLIS l/ aVeZ apprrs qu'un semi-conducteur un est jonction composant uneseule P. L'importance la diodedans de lescircuits lectroniques n'estpas s u r f a i t e :o nh a b i l i t c o n d u i r e s le couranldansun sens, tout en bloquantle courant dansl'autre direction, essentielle pour le est fonctionnement plusieurs de types de circuits. U n e x e m p l e ' u nt e l c i r c u i t s t d e le redresseur tension de c.a., que nousexaminerons dansce chapitre. D'autres utilisations importantes la diode se de retrouvent dans lescircuits limiteurs, fixation niveauet de l e sm u l t i p l i c a t e ud e t e n s i o n rs diode.

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. :

r PROIETREL C o m m et e c h n i c i e d a n su n e n lectronique/ compagnie vous avez la responsabilit design du final et de la vrification circuit du

d ' u n b l o cd ' a l i m e n t a t i o n e qu votreentreprise dsire utiliser dansplusieurs sesproduits. de Votretravailconsiste apprendre tout ce que vous pouvezau sujet

descircuits diode par l'tude de pourensuite ce chapitre appliquer votre savoirau projet rel de la section 2-8.

,,FNGII

f/54 I A P P L I C A T I O ND E SD I O D E S S

RS 2 - 1 T R ED R E S S E US IMP L E LTERNANCE AGrce leur habilet conduire Ie courqnt dans une direction et Ie bloquer dnns lo direction oppose, diadessont utilisesdans descircuits appelsredresseurs converles qui tissent c.a.en c.c.Lesredresseurs retrouvent le se dunstouslesblocsd'ulimentationc.c,qui fonctionnent paftir d'une source c.a. Les blocs d'slimentation constituentune partie essentielle tous les systmes de lectroniques, plus simple au plus complexe.Duns cette du section,voustudierez circuit de basede redressement: redresseur le le simplealternance. Aprs I'tude de cettesection,vouspouryez r Expliquer et analyserle fonctionnement redresseurs des simplealternance tr Dcrireun bloc d'alimentation de baseet le redressement c.c. simplealternance tr DLerminer valeurmoyenne la d'unetension redresse simplealternance n Discuterde I'effet de la barrirede potentielsur la sortied'un redresseur simole alternance n Dfinir une tensioninversede crte (TIC) tr Dcrireun redresseur par simplealtemance couplage transformateur

Bloc d'alimentation c.c. de base Le bloc d'alimentation c.c. de baseconvertit le signal c.a. 120Y,60H2 de la prise murale domestique une tensionc.c. stable.C'est I'un des circuits lectroniques plus rpandus. en les La tension c.c. produite par un bloc d'alimentation est utilise pour alimentertoutes sofies de circuits lectroniques,tels que tlviseurs,chanesstro, magntoscopes, lecteurs de disques compacts et quipementsde laboratoire. Le diagramme bloc d'une telle alimentation est illustr la figure 2-I.Le redresseur peut tre un redresseursimple alternanceou un redresseurdouble altemance (expliqu la section 2-2). Le redresseur converlit le signal d'entre c.a. en une tension pulsative c.c., redresse une alternance,comme illustr. Le filtre limine les fluctuations dans la tension sur redresse,procurant une tension c.c. relativement gale. Les filtres seront analyss la section 2-3.Le rgulateur est un circuit qui maintient Ia tension c.c. constante,peu impofie les variations de la tension d'entre ou de la charge. Les rgulateurs peuvent varier d'un composant unique des circuits plus complexes. Vous tudierez le rgulateur composant unique au chapitre 3. Le bloc de charge est habitueliement un circuit pour lequel le bloc d'alimentation produit la tension continue et le courant de charge. /I

l20V,60Hz .,,..:,....;,.r.,.,........*... :,......,.;.. .: .,! .r.,..

Tension redresse

lenslontlltree

Tension rgu1e

'.,,,'0, o. '.1't i

_

,.

FIGURE -1 2 Diagramme bloc d'une alimentation c.c. avec une charge.

T REDRESSEURS ALTERNANCE 55 ,/SIMPLE

Redresseur simple alternanceLa figure 2-2 illustre le procd appel redressement simple alternance. Dans la partie a), qui procure la tension d'entre, V", eI une une diode est branche entre une source c.a. rsistancede charge R,ho,gn, formant un redresseur simple alternance. N'oubliez pas que tous les symboles de la mise la tere reprsentent le mme point lectrique. Examinons ce qui survient durant un cycle de la tension d'entre en utilisant le modle de diode idal. Lorsque la tension sinusodale I'entre devient positive, la diode est en polarisation directe et conduit le courant vers la rsistancede charge,comme I'illustre la partie b). Le courant traverse la charge et produit une tension possdant la mme forme que le demi-cycle positif de la tension d'entre. Lorsque la tension I'entre devient ngative durant la seconde moiti de son cycle, la diode est en polarisation inverse. Il n'y a aucun courant et la tension aux bornes

a) Redresseur simple altemance

0i

to

tt

0"

tO

tt

t2

Rrhrrrg"

::b) Durantl'alternancepositivedelatensiond'entre60Hz,htensiondesorlieestidentrque 1'alternance d'entre. Le courant rejoint la masse travers la charge.

,-/0l tn ,l tl ,'t1 ttt

\,,

t2

0 --------r

,

Rrhr,rg"

\".-.'j

c) Durant I'alternance ngative de la tension d'entre. le courant et la tension de sortie sont nuls

o-.1o tt t2 d) Tension de sortie 60 Hz pour trois cycles d'ente.

FIGURE -2 2 Fonctionnementd'un redresseursimple alternance.La diode est considrecomme idale.

S 5 6 I A P P L I C A T I O ND E SD I O D E S

de la rsistance nulle,commele dmontre partiec). Parconsquent, est la seuls demiles cyclespositifsde la tensionc.a.d'entre apparaissent bomesde la charge. aux Puisque la polarit ne changepas la sortie, nous obtenonsune tension c.c. pulsatived'une frquence 60 Hz, tel qu'illustr la parlied). de Valeur moyenne de Ia tension de sortie simple alternance La valeur moyenne d'une tensionde sortied'un redresseur simplealternance celle que vous mesureriez est avecun voltmtreen positionc.c. Mathmatiquement, estdtermine l'aire sous par elle la courbe pour un cyclecompletet ensuite divisepar2r, soit le nombrede radians dans un cycle complet,tel qu'illustr la figure 2-3.Le rsultatde ce raisonnement exprim est par l'quation(2-1),'o V,,p." la valeurcrtede la tension. est Consultez 1'annexe pour B une versiondtaille.Vrrr" -

YMOY:

n

(2-'t)

2_3 FIGUREValeur moyenne d'an redressement simple alternance,

Vrrt"

Aire

EXEMPLE 2-1

simple Quelle est la valeur moyennede la tension de sortie du signal redress alternance illustr bfis\re 21? r00 ---v

OV FICURE -4 2 Solution Vvov= V.,,,,fin

100 V

=31r8V

Exercice connexe Dterminez la valeur moyenne de la tension de sortie d'un redresseur simplealternance l'amolitudede crteestde 12V. si

Effet la barrire potentiel la diode de de de sur le signal redress simple alternanceLaissons de ct le modle de diode idal pour tenir compte de la barrire de potentiel de 0,7 V et utiliser le modle de diode pratique. Pendant le demi-cycle positif, la tension l'entre doit franchir la barrire de potentiel avant que la diode ne puisse passer en polarisation directe. Pour une diode au silicium, cela produira une tension de sortie d'une valeur crte diminue de 0,1 V par rapport la valeur de crte de la tension d'entre (figure 2-5). Pour le silicium, la formule pour la tension crte de sortie estVcrtesor1= crteen10.7 V V -

(2-2)

T R E D R E S S E US IS P L E L T E R N A N C E RM A

57

'T

1t', ,,i,'t.r'tt)

l " , r 7 1 1 r r r r ; 1 " , , , 1 , . , , ,-, , ,0 . 7 V ,= + vro,

,.n

FIGURE2_5 Effet de la banire de potentiel sur un redressementsimple alternance (diode au silicium).

Lorsqu'ontravaillesur descircuits diode,il est souvent pratique d'utiliser le modle de diode idal, qui nglige l'effet de la banire de potentiel, si la valeur crte de la que (d'au moins 10V). tension applique beaucoup plus leve la banirede potentiel est pa.r Cependant, mesurede consistance, nous utiliseronstoujoursle modlepratiquede la diode au silicium et nousprendrons considration en l'effet de sabarrirede potentielde 0.7 V. saufindicationcontraire.

2-2 EXEMPLE

Dessinezles formes d'onde de sortie pour chaqueredresseur la figure 2-6 pow la de tensiond'entreindique.

FIGURE -6 2

58

I

A P P L I C A T I O ND E SD I O D E S S

Solution La tensioncrtede sortiedu circuit a) estV,te1sonl=Vcrre(en)- V:5 0,7 V - 0,7 V = 4130 V

La tensioncrtede sortiedu circuit b) est= Vcrte1so,) Vcrte7en) 0,7 V = 100 V - 0,7 V = 9913 V

Cesformesd'onde de tensionde sortie sontillustres la figure 2-7. Notez que la banire de potentielauraitpu tre ngligeau circuit b), pour ne provoquerqu'une toute petite erreur (0,7 Vo); cependant, on la nglige dans le circuit a), une erreur si significativeen rsulte(14 Eo).

-;n_-t';'7\J\a) D)

FIGURE 2-7 Tensions sortiepour les circuitsde la figure 2-6. Ils ne sontpas affichs de selonla mme chelle. Exercice connexe Dterminezla tensionde crtede sortiedes redresseurs illustrs la figure 2-6 sila tensioncrte d'entrede la partie a) est de 3 V et que la tension crted'entrede la partieb) est de 210 V. Ouvrez 1efichier FG02-06.CA4.Pour les entresspcifies dansI'exemple,mesurez les formesd'onde la sortie.Comparez mesures vos avecles rsultats cet exemple. de

Tension inverse de crte (TlC) La valeur maximalede tensioninverse,parfois dsigne commetantla tension inverse (TIC), se produit lors de la crte de I'alternancengativedu cycle lorsque la de crte diodeest en polarisation inverse. Cetteconditionest illustre la figure 2-B.La tension inversede crteest gale la valeurcrtede la tension I'entre.On doit s'assurer la que diode seracapable supporter de cettequantitrptitivede tensioninverse.TIC : V,,p,"1",1

(2-3)

TIC t"rp,"

V"u 0

-V

crte(cnt

FIGURE -B 2 In TIC se prodait la crte du demi-cycle lorsque la diode se trouve en polarisation inverse. Dans ce circuit, ln TIC se produit lorsque I'alternance ngqtiveatteint sa valeur crte.

T R E D R E S S E US IS P L E L T E R N A N C E RM A

59

Redresseur simple alternance tension d'entre couple transformateur parOn utilise souvent un transformateurpour coupler la tension c.a. d'entre de la source vers le redresseur (figure 2-9).Le couplage par transformateur fournit deux avantages.Il permet d'abord un effet dvolteur ou survolteur sur la tension d'entre, selon les besoins. galement, la source c.a. devient isole lectriquement du redresseur,pour empcher tout risque de choc lectrique dans le circuit secondaire.

FIGURE -9 2 Redresseur simple alternance tension d'entre couplepar transformateun

Nous savonsque la valeur de la tensionsecondaire d'un transformateur galeau est rapportde transformation (N."./Nu.;)multipli par la tensionau primaire, tel qu'exprim par l'quation(2_4).

vr",

:(#),,,

(2-4)

Si N"". ) No,i,latension secondaire plusleve la tension primaire.Si N"". ( Np;, au que est au la tension secondaire moinsleve celleauprimaire. N"".= Nra, alorsV,n,= Vo,i. au que est Si

2-3 EXEMPLE

Dterminez Ia valeur crte de la tension de sorlie la fieure 2-10.

D t\chorgt

1 kI)

t'/! o r

FIGURE -10 2

71

60 I

A P P L I C A T I O ND E SD I O D E S S

Solution

= Vcrte(pri): Vcrte(en) 120 V

La tension crte au secondaire est-l V r r , ttS?, )=

/ N.-.' \ -. \ f ,

= 0'5(l 20 Vl = 60 V 1',,0,"rp,i,lt/

La tension crte redresse la sortie est = Vcrte(sec)- V : 60 V - 0,7 V : 5913V Vcrte(sor'1 0,7 o Vrrp,n1r"rl I'entre vers le redresseur. est Exercice connexe a) Dterminez la valeur crte de 1a tension de sortie la figure 2-10 si N"",lNo,i = 2 = 9t Vrr67"",1 240 V. b) Quelle est la TIC aux bomes de la diode? c) Dfinissez la tension de sortie si I'on pivote la diode. Owrez le fichier FG02-10.CA4. Pour I'entre spcifie,mesurez la tension crte la sortie. Comparez les rsultatsavec la valeur calcule.

2-1 SECTTON REVISION

l. quelmoment prcis cycled'entre TIC seproduit-elle? du la 2. Pourquellevaleur approximative pourcentage cycled'entre de du existe-il courant un traversant charge la d'un redresseur simplealternance? 3. Quelle est la valeur moyenned'une tensionredresse possdant simple alternance unevaleurcrtede 10V? 4. Quelleestla valeurcrtede la tensionde sorlie d'un redresseur simple altemance si unetension crtesinusoidale de25V estapplique I'entre? 5. Quellevaleur a.e ffiunl aioOg Ool5;llepossder treutilise pour dans lominale un redresseur la tension dont crte sortie de 50 V? de est

2_2 . REDRESSEURS DOUBTE ALTERNANCEBien que Ie redresseur simple alternance s son utilit dans certaines applications, le redresseur doubleel.ternance Ie typele plus courammentutilis dsns les blocsd'alimenest tation. Dans cette section, vous mettrez profrt vos connaissances sur Ie redressement simple ahernancepour ensuiteles appliquer au redresseur double allernance. Nousallons tudier deux typesde redresseurs doublealternance: prise mdianeet enpont. Aprs I'tude de cettesection,vouspourrez I Expliquer et analyser le fonctionnement d'un redresseurdouble alternance n Discuterdesdiffrences entreles redressements simpleet doublealternance n Dterminer valeurmoyenne la d'une tension redresse doublealternance n Dcrirele fontionnement d'un redresseur doublealternance prisemdiane n Expliquer commentle rapportde tranformationaffectela tensionde sorlie redresse tr Dterminerla tensioninversede crte(TIC) I Dcrirele fonctionnement d'un redresseur doublealternance pont en ! Comparerle redresseur prisemdianeet le redresseur ponl en

It

T REDRESSEURS DOUBLE ALTERNANCE 61 La diffrenceentrele redressement simple et doublealternance s'expliquepar le fait que le redresseur double alternance fournit un courantunidirectionnel la chargependant la durecompltedu cycle d'entre(360'), tandisque le redresseur simple alternance ne le permetque durantla moiti du cycle. Le rsultatd'un redressement doublealternance estune tensionde sortiec.c. d'une frquence doublede la frquence du d'entre,oscillant pour chaque demi-cycle I'entre, qu'illustr la figure2-11. de tel

FIGURE -11 2 Redresseur double alternance.

positivesque fournit le redresseur le double de celui Le nombre d'alternances est pour un mmeintervallede temps.La valeur moyenne d'un redresseur simple altemance pour une tension de sortie redresse double alternance donc gale au double de la est valeurde la tensionsimolealternance. commele dmontre formule suivante: la

Vrvrov:'+

(2-s)

2-4 EXEMPLE

TrouvezJa valeur moyennede la tensionde sortie redresse double alternance la de fisure2-12.

FICURE -12 2

Solution

: Vir,roy

2V",;," 2(l5V)

:9155 V

Exercice connexe Trouvezla valeur moyennede la tension la sortie d'un redresseur doublealtemance la crteestde 155V. si

S 6 2 T A P P L I C A T I O ND E SD I O D E S

Redresseur doublealternance prisemdianeau Le circuit redresseurdouble alternance prise mdianeutilise deuxdiodesbranches (figure 2-f3). Le signald'entreestcoupl d'un transformateur prisemdiane secondaire La apparat au secondaire traversle transformateur. moiti de la tensiondu secondaire (PM) et chaque secondaire, commeillustr. ctdu bobinage entrela prisemdiane

FICURE -13 2 Redresseur double alternance prise mdiane.

Les polarits des tensions du secondairepour un demi-cycle positif de la tension d'entre sont illustres la figure 2*I4 a). Cette condition applique une polarisation directe sur la diode D' et une polarisation inverse sur la diode D2. Le courant s'achemine tel tel qu'indiqu travers la diode D1 et la rsistancede chargeR,h,,,g", qu'indiqu. Pour Ies polarits des tensions du secondairesont un demi-cycle ngatif de la tension d'entre, telles qu'illustres la figure 2-14 b). Cette condition applique une polarisation inverse sur D1 et directe sur Dr. Le courant s'achemine travers D2 etla rsistanceR,p,,,r", tel qu'indiqu. Puisque le courant ffaverse la charge dans la mme direction durant les deux portions (positive et ngative) du cycle d'entre, la tension de sortie produite aux bornes double alternance. de la chargeest une tension continue redresse Si le rapport de Effet du rapport de transformation sur la tension de sortie transformation du transformateurest de I (1:1), la valeur de la tension crte redresse la sortie est gale la moiti de la valeur de la tension crte du primaire, moins la barrire de potentiel de la diode (figure 2-f5).I a moiti de la tension l'entre apparatdonc aux = Incidemment, bornes de chaque moiti du bobinage secondaire (Vcrre(sec)Vc,ate@ri)). nous utiliserons la locution perte par la diode pour rf&er la tension avant causepar une barrire de potentiel de diode. Pour obtenir une tension crte de sortie gale celle de I'entre (moins la perte par la diode), nous devons utiliser un transformateur survolteur avec un rapport de transformation de N""../Nr,,i= 2 (figure 2-16). Dans ce cas, la tension totale du secondaire V"n. est le double de la tension du primaire (ZVu,).La tension aux bornes de chaque moiti du secondaireest donc gale celle de I'enlre (Vn,). Dans tous les cas, la tension de sortie d'un redresseurdouble alternance prise mdiane est toujours la moiti de la tension du secondaire,moins la perte par la diode, peu importe le rapport de transformation. v

-0,7v

(2-6)

I\

I R E D R E S S E UD O U B L EA L T E R N A N C E RS

63

l',,,,

+D 'r

o/

//\1

\

charge

a) Pendant les demi-cycles positifs, D1 est sous polarisation dtecte, D2 sous polarisation inverse

b) Pendant derni-cycles les positifs, estsous polarisation D2 polarisation directe, sous D1 inverse. FICURE -14 2 Fonctionnementde bsse d'un redresseurdoable akernance prise mdiane. Notez que le courant traversant la rsistance est dans Ia mme direction durant tout le cycle de la tension d'entre. Itt tension de sortie possile donc toujours la mme poktrit.

;,ro,r"'r,rr v -

r,

,, ^/\l:f-o;i

FIGURE _15 2 Redresseurdouble alterndnce prise mdiane avec wn rapport ile transformation de 1. Vqte(pri) In valeur crte de la tension au primaire. est

64 I

A P P L I C A T I O ND E SD I O D E S S

, './ "'.tr-

FIGURE -16 2 Redresseur double alternance prise mdiane avec un rapport de transformation de 2. Tension inverse de crte Chaque diode du redresseur double alternance passe altemativement souspolarisation directe et ensuite souspolarisation inverse. La tension inverse maximale que chaque diode doit supporter est la valeur crte de la tension du secondaire (figure 2-17 ). Vcrte(sec) Lorsque la tension totale du secondairepossdela polarit indique, la tension I'anode de D1 est tVr,61"1"",.112 et ce1le 1'anodede D2 est -V,,p1"1,"412. Puisque D1 est en polarisation directe, la tension sa cathode est la mme qu' I'anode moins la perte par la diode. C'est galementla tension applique sur la cathode de D2. En appliquant la loi des tensionsde Kirchhoff dans la boucle, la tension inverse de crte de D2 est V,n!:rvct-0,7 ftc=( . 2 . / \ 2 / 2 2 V) -(-y.#".t) = V,'u,,'"., V,,.k,,",,-0.7 =V","r",,"c.-0.7 * V V

= Puisque V,,t"(so,) V,,p,n1,",.,120,7 Y en multipliant chaque terme par 2, nous obtenonsVcrte(sec):2Vcrte(sor) + 1;4 V

La tension inverse crte.en ce qui conceme tension de la crtedu secondaire est - 0,7 TIC = Vr,61"1"".1 V prcdentes, tensioninversede crte aux bornesde En combinantles deux quations la l'une ou I'autredesdiodes d'un redresseur doublealternance prisemdiane estTIC = 2Vrrp,"("or) 0.7 V + 2 FICURE -17 Tensioninverse d'ane diode (D2 est souspolarisation inverse). In TIC est le double de la valeur crte de la tension de sortie, plus la barrire de potentiel.

(2-7)

+Vrrr"r.u'tt _Vrrt"lu,t

2

-0,7v

l

\

I R E D R E S S E UD O U B L EA L T E R N A N C E RS

65

2_5 EXEMPLE

Indiquez les formes d'onde de la tension travers le bobinage secondaireet aux bornesde R"po,r" lorsqu'uneonde de 100 V crte est appliqueau bobinageprimaire inversede crteminimaledoiventpossder diodes? de la figure 2-18. Quelletension lesF

o-