PARTIE 11 • FONCTIONS 49 Filtrage, lissage et stabilisation Nous savons obtenir une tension unidirectionnelle. Mais pour certaines applications, une tension continue parfaite est nécessaire. AVANT DE DÉMARRER… Nécessité d’une tension continue parfaite Un grand nombre de récepteurs ne peuvent pas fonctionner à partir d’une source alternative sinusoïdale. Il est nécessaire, comme par exemple pour une imprimante (fig. 1), de les alimenter par une source de courant continu parfaite. Le rôle du boîtier de la figure 1 est de transformer une tension alternative sinusoïdale en tension continue. Boîtier Fig. 1 Branchement d’une imprimante. OBSERVONS • Avec un condensateur D L’alimentation u est une tension sinusoïdale d’équation ^ u = U sin wt qui alimente une charge résistive R à travers une diode D. On place dans le circuit un condensateur C en dérivation sur la charge R (fig. 2). Suivant la valeur du condensateur, nous obtenons différentes allures des tensions uR (fig. 3). uR uR ^ U t « Petite capacité » R uR Fig. 2 uR ^ ^ U C uD u U t t « Grande capacité » Fig. 3 Représentation de plusieurs tensions redressées avec des condensateurs de capacités de plus en plus élevées. 298 FILTRAGE, LISSAGE ET STABILISATION • Avec une bobine L’alimentation u est une tension sinusoïdale ^ d’équation u = U sin wt qui alimente une charge résistive R à travers une diode D. On place dans le circuit une bobine L en série avec la charge R (fig. 4). Nous savons que, grâce à la diode de roue libre, l’inductance prolonge le courant iR. L D iR uD u R DRL uR Fig. 4 D’après les courbes obtenues sur la figure 5, on peut remarquer que plus la valeur de l’inductance est importante, plus l’ondulation diminue. iR1 iR2 inductance L1 inductance L2 t t Fig. 5 L2 est plus grande que L1. À SAVOIR 1. Facteur de forme et taux d’ondulation Les tensions obtenues avec les ponts redresseurs vus dans les chapitres précédents ne sont pas continues. On dit alors qu’il existe un facteur de forme F qui varie selon la forme de la tension redressée. F : quotient de la valeur efficace de la tension redressée par la valeur moyenne de la tension U . redressée : F = —– — U ——– b : taux d’ondulation qui est défini par : b = ÷F 2 – 1 (en %). Exemple : Tension continue F b 1,57 121 % 1,11 48 % 1 0 Tableau 1. FILTRAGE, LISSAGE ET STABILISATION 299 PARTIE 11 • FONCTIONS Pour diminuer l’ondulation de la tension redressée, il suffit d’ajouter au circuit des composants réalisant les fonctions de filtrage ou de lissage, puis de stabilisation. Différentes étapes sont nécessaires à l’obtention d’une tension continue (fig. 6). u u uC ADAPTATION Alimentation TRANSFORMATEUR Réseau uC uC REDRESSEMENT FILTRER/LISSER STABILISATION PONT REDRESSEUR CONDENSATEUR BOBINE RÉGULATEUR DIODE ZÉNER Fig. 6 2. Filtrage a) Tension d’alimentation durant l’alternance positive de u Durant l’alternance positive de u, la diode D est passante, son anode est située au pôle positif. Le condensateur se charge tant que u > uR. Il emmagasine de l’énergie W (fig. 7). D + u – i + C uD R uR – iC iR Fig. 7 b) Tension d’alimentation durant l’alternance négative de u Durant l’alternance négative de u, la diode D est bloquée. Le condensateur se décharge tant que u < uR . Il restitue son énergie W dans la charge. Cela permet une conduction ininterrompue selon la valeur de la capacité du condensateur (fig. 8). D u i=0 C uD R uR iR iC Fig. 8 Le condensateur, de capacité suffisante, permet de conserver une tension aux bornes de la charge sans interruption (fig. 9). u T 2T t 3T uR T t 2T Fig. 9 300 FILTRAGE, LISSAGE ET STABILISATION 3T 3. Lissage Le principe est le même que pour le condensateur. La bobine emmagasine de l’énergie durant l’alternance positive de la tension u et la restitue en maintenant un courant dans la charge grâce à la diode de roue libre. Remarque : Le condensateur permet d’agir sur la tension alors que la bobine agit sur le courant. 4. Stabilisation/Régulation a) Diode zéner (tableau 2) Symbole Définition Diode à jonction qui se comporte comme une diode de redressement dans le sens direct et qui est passante à partir d’une tension dite de zéner dans le sens inverse. Du fait de cette particularité, elle sera toujours utilisée dans le sens inverse. Sens direct u Sens inverse i u Caractéristique Fonctionnement En direct, la caractéristique d’une diode zéner inverse est identique à celle d’une diode à jonction. i En inverse, l’intensité i reste nulle tant que la tension reste inférieure à la tension zéner uZ . U0 u < uZ ⇒ i = 0. UZ u À partir de uZ , la tension ne varie plus aux bornes de la diode. direct Tableau 2 La diode zéner. ∑ Diode zéner en courant alternatif (fig. 10) u i t Ri R u u uZ UZ t Fig. 10 – Durant l’alternance positive de u : 1) si u < UZ → i = 0 ; ^ u – UZ ^ U – UZ 2) si u > UZ → i = ——— et I = ———. R R u – Durant l’alternance négative de u : l’intensité i est négative et i = —–. R FILTRAGE, LISSAGE ET STABILISATION 301 PARTIE 11 • FONCTIONS b) Stabilisation de la tension Pour stabiliser la tension, on pourra utiliser un circuit comprenant une diode zéner et une résistance (fig. 11). iR i R iZ uR u R1 Fig. 11 Stabilisateur de tension. Avant stabilisation À cet instant, la tension uR aux bornes de la charge R est inférieure à la tension zéner de la diode : uR < UZ ⇒ iZ = 0. La diode zéner est courtcircuitée par la charge et n’a aucun rôle dans le circuit. Dans ce cas : Domaine de stabilisation Dans le domaine de stabilisation, uR est identique à Uz. Dans ce cas, l’intensité du courant traversant la diode n’est plus nulle. On peut écrire : i = iZ + iR (loi des nœuds). Limite de stabilisation Au-delà de l’intensité maximale supportée par la diode, la diode zéner peut être détériorée. Loi des mailles : u = Ri + UZ = Uz + R(iz + iR ). u × R1 i = iR et uR = ———– R + R1 Tableau 3 c) Régulateur de tension (fig. 12) Avec un régulateur monté comme l’indique la figure 12, il est possible d’obtenir une tension continue uR aux bornes de la charge. Régulateur + u uR Redresseur – Fig. 12 302 78 - - FILTRAGE, LISSAGE ET STABILISATION TESTEZ VOS CONNAISSANCES Une diode zéner idéale en série avec un résistor R est alimentée par une tension continue de 24 V. Sachant que R = 1 000 Ω, calculer, dans les deux cas suivants, diode en direct et diode en inverse, l’intensité du courant dans le circuit sachant que UZ = 12 V. Le circuit de la figure 13 est alimenté par une tension — sinusoïdale u d’équation u = 24 √ 2 sin 314 t. Pour les deux diodes zéner, UZ = 15 V. Tracer sur deux axes différents les tensions u et uZZ. R u UZZ Fig. 13. Une charge résistive R telle que R = 10 Ω est alimentée, par l’intermédiaire d’une diode D, par une tension sinusoïdale u de valeur efficace 240 V et de fréquence 50 Hz. 1. Tracer le schéma du circuit. 2. Calculer les valeurs moyenne et efficace de la tension aux bornes de la charge. 3. Calculer les valeurs moyenne et efficace du courant traversant la charge. 4. Calculer le facteur de forme et le taux d’ondulation de la tension redressée. Les données de l’énoncé précédent sont reprises en changeant le redresseur. Dans cet exercice, le redresseur est un pont de Graëtz monophasé. On vous demande de calculer : 1. les valeurs moyenne et efficace de la tension aux bornes de la charge ; 2. les valeurs moyenne et efficace du courant traversant la charge ; 3. le facteur de forme et le taux d’ondulation de la tension redressée. FILTRAGE, LISSAGE ET STABILISATION 303
