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179058 Partie11 Ch49

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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
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