La conversion alternatif-continu - Les redresseurs

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La conversion alternatif-continu : Les redresseurs
Définition:
Le redressement est la conversion d’une tension alternative en une tension
continue.
Signal obtenu en courant alternatif
Signal obtenu en courant continu
Comment obtenir un signal continu à partir d’une source de
courant alternatif?
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La conversion alternatif-continu : Les redresseurs
A : REDRESSEMENT NON COMMANDE : REDESSEURS A DIODES
B : REDRESSEMENT COMMANDE : REDESSEURS A THYRISTORS
REDRESSEMENT SIMPLE ALTERNANCE
Méthodes utilisées
REDRESSEMENT DOUBLE ALTERNANCE
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Redressement non commandé : Les redresseurs à diodes
LA DIODE
i
La diode est un dipôle passif polarisé. Son symbole est le suivant:
v
Une diode a la propriété de laisser passer le courant dans un sens (diode passante) et de
l'arrêter dans l'autre sens (diode bloquée). Une étude approximative semble montrer
que la diode se comporte comme un fil de résistance négligeable quand elle est passante
et comme un interrupteur ouvert quand elle est bloquée.
La caractéristique d’une diode dite « parfaite » est la suivante:
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Redressement non commandé : Les redresseurs à diodes
La réalité est un peu différente. La caractéristique V= f(I) nous le montre:
La diode n'est passante que lorsque la tension dépasse un seuil (environ 0,6V pour une
diode au silicium).
La tension aux bornes de la diode passante varie très peu en fonction de l'intensité
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6
REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
a. Cas d’une charge résistive
Pendant l’alternance négative, la diode est polarisée en inverse, le courant électrique
ne passe pas
On dit qu’il y a redressement simple alternance
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
Le montage réalisé est le suivant:
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
L’alternance négative a donc été supprimée
La période de la tension redressée mono alternance est la même que celle de la
tension sinusoïdale
T = T’
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
Expressions de la tension et du courant dans la charge :
v c ( t )  Vmax sin t


Vmax
i
(
t
)

sin t
c

R

v c ( t )  0

i c ( t )  0
pour t  0, 
pour t  ,2
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
Tension moyenne aux bornes de la charge :
Courant moyen dans la charge :
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
Tension efficace aux bornes de la charge :
Courant efficace dans la charge :
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
Courant moyen de la diode :
Courant efficace de la diode :
Tension inverse maximale de la diode :
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
Facteur de forme de la tension de sortie
Puissance :
La puissance instantanée est :
La puissance moyenne est alors:
Facteur de puissance :
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
b. Cas d’une charge inductive
Redresseur à simple alternance alimentant une charge RL
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
b. Cas d’une charge inductive
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
b. Cas d’une charge inductive
Chronogrammes des tensions et du courant pour une charge RL
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
b. Cas d’une charge inductive
et :
Où :
D’où :
et
avec
à
t   0
sin( 0  )  sin e

0

0
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
b. Cas d’une charge inductive
Tension moyenne aux bornes de la charge :
Courant moyen dans la charge :
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
c. Cas d’une charge inductive avec diode de roue libre :
La diode de roue libre se met à conduire dès que la tension aux
bornes de la charge devient négative. Son rôle est d’assurer un
chemin pour le courant inductif. Il s’en suit un courant de charge plus
lissé et une valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge plus
élevée.
Pour le calcul des différentes grandeurs, les équations du paragraphe
précédent peuvent être utilisées.
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
c. Cas d’une charge inductive avec diode de roue libre :
Chronogrammes des tensions et des courants :
charge RL avec diode de roue libre
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
c. Cas d’une charge inductive avec diode de roue libre :
Conduction continue idéalisée sur charge inductive
à forte constante de temps
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
d. Cas d’un circuit avec f.c.é.m. E:
 Cas d’une charge RE:
D commence à conduire lorsque :
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
c. Cas d’un circuit avec f.c.é.m. E:
 Cas d’une charge RE:
Chronogrammes des tensions et du courant pour une charge RE
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REDRESSEUR A SIMPLE ALTERNANCE
d. Cas d’un circuit avec f.c.é.m. E:
 Cas d’une charge RLE:
Chronogrammes des tensions et du courant pour une charge RLE
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Redresseur à diode à double alternance à point milieu:
Montage Parallèle P2 à diodes
En monophasé on ne dispose que d’une seule phase. Une pseudo-phase est crée
grâce à un transformateur à deux secondaires (transformateur à point milieu). La
source biphasée qui en résulte délivre des tensions en opposition de phase.
Redresseur double alternance type P2 à diodes
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Redresseur à diode à double alternance à point milieu:
Montage Parallèle P2 à diodes
Cas d’une charge résistive :
Le transformateur fournit 2 tensions
opposées v1 et v2 par rapport au
milieu N.
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Redresseur à diode à double alternance à point milieu:
Montage Parallèle P2 à diodes
 Expressions de la tension et du
courant dans la charge :
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Redresseur à diode à double alternance à point milieu:
Montage Parallèle P2 à diodes
 Tension moyenne aux bornes de la charge :
 Courant moyen dans la charge :
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Redresseur à diode à double alternance à point milieu:
Montage Parallèle P2 à diodes
 Tension efficace aux bornes de la charge :
 Courant efficace dans la charge :
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Redresseur à diode à double alternance à point milieu:
Montage Parallèle P2 à diodes
 Courant moyen dans une diode :
I Dmoy 
I cmoy
2
Vmax

R
 Courant efficace dans une diode :
I Deff
I ceff
Vmax


2
2 2R
Tension inverse maximale de la diode
VTIM  2Vmax
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Redresseur à diode à double alternance à point milieu:
Montage Parallèle P2 à diodes
Cas d’une charge inductive :
Pour une charge inductive, la seule forme d’onde qui change c’est celle des
courants qui devient plus lissée à cause de l’inductance qui agit comme un filtre
(figure).
Formes d’ondes du redresseur P2 sur charge RL.
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
Le redresseur à double alternance en pont, appelé aussi « pont de Graëtz » ou
PD2 à diodes, est le montage le plus utilisé à cause de sa simplicité (figure).
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
D4
~
D1
v
D3
D2
R
vc
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
Le montage réalisé est le suivant:
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
Le signal obtenu est le suivant:
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
Si v > 0:
D4
D1
~ v
D3
D2
R
vc
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
Si v < 0:
D4
D1
~
D3
D2
R
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
L’explication théorique peut se faire de la façon suivante: les branches dans lesquelles il
n’y a pas de courant ont été supprimées.
Pour v>0:
Pour v<0
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
Sur l’écran de l’oscilloscope, on obtient:
v(t)
vc(t)
t
L’alternance négative est redressée
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
a) Charge résistive :
La
figure
suivante
résume
le
fonctionnement du redresseur à double
alternance type PD2 à diodes.
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
a) Charge résistive :
Ce montage à les mêmes grandeurs
caractéristiques (tension moyenne, courant
moyen,…) que le redresseur à point milieu à
l’exception de la tension inverse maximale
VTIM qui s’est améliorée.
Vcmoy

2Vmax 2 2Veff
1
  Vmax sin d 

 0.9Veff
0


I cmoy 
Vcmoy
R
2Vmax

R
I Dmoy 
I cmoy
2

Vmax
R
VTIM  Vmax
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Redresseur à diode à double alternance en pont : Montage PD2 à diodes
Charge inductive :
Sur charge inductive, le comportement du redresseur PD2 est
similaire au redresseur P2
43
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Redresseur triphasé à diodes à simple alternance : Montage P3 à diodes
Pour augmenter la puissance à la sortie, on utilise des montages triphasés.
La structure du redresseur triphasé à simple alternance type P3 est donnée à la
figure suivante. Les cathodes des trois diodes sont reliées ensemble (montage à
cathodes communes). A chaque instant la diode dont l’anode est au potentiel le
plus élevé conduit.
D1
v1
v2
v3
D2
ic
D3
vc
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Redresseur triphasé à diodes à simple alternance : Montage P3 à diodes
La tension de sortie vC est donc la tension la plus positive des sources d’alimentation.
Chaque diode conduit donc pendant 2π/3.
Si l’on avait disposé d’un montage parallèle simple à anodes communes, la tension de
sortie serait les portions de sinusoïdes les plus négatives.
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Redresseur triphasé à diodes à simple alternance : Montage P3 à diodes
Cas d’une charge résistive :
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Redresseur triphasé à diodes à simple alternance : Montage P3 à diodes
- Expressions de la tension et du courant dans la charge :
- Tension moyenne aux bornes de la charge :
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Redresseur triphasé à diodes à simple alternance : Montage P3 à diodes
- Tension inverse aux bornes d’une diode :
Lorsque par exemple D1 conduit, D2 voit à ses bornes une tension v2 -v1.
v3
v1
v2-v1
v2
D’où :
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Redresseur triphasé à diodes à simple alternance : Montage P3 à diodes
Cas d’une charge inductive :
Chronogrammes des courants du redresseur P3, cas d’une charge RL
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Redresseur triphasé à diodes à simple alternance : Montage P3 à diodes
Cas d’une charge inductive :
Si la charge est fortement inductive, on peut alors dire que le courant qui la
traverse est continu et on la représente par une source de courant.
Redresseur P3 alimentant
une charge fortement
inductive
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Redresseur triphasé à diodes à simple alternance : Montage P3 à diodes
Cas d’une charge inductive :
La figure suivante donne les
différentes formes d’ondes.
52
53
54
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Redresseur triphasé à diodes à simple alternance : Montage P3 à diodes
- Courant moyen dans une diode :
- Courant efficace dans une diode :
- Puissance apparente du transformateur :
Ic
ID 
3
I Deff 
Ic
3
S transfo  3(

Ic
3
)(
Vmax
2
3
Vmax I c
2
)
Redresseur triphasé à diodes à double alternance en pont : Montage PD3 à diodes
La structure du redresseur triphasé à double alternance type PD3 à diodes est
donnée à la figure suivante. Il est constitué par 6 diodes. 3 diodes (D1, D2, D3)
dans un montage P3 à cathodes communes réalisant un commutateur plus
positif et 3 diodes (D’1, D’2, D’3) dans un montage P3 à anodes communes
réalisant un commutateur plus négatif.
D1
D2
D3
ic
+
v1
v2
v3
vc
D’1 D’2
D’3
-
Redresseur PD3 à diodes
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Redresseur triphasé à diodes à double alternance en pont : Montage PD3 à diodes
Schéma de principe :
Parallèle simple à
cathodes communes
N
Parallèle simple à
anodes communes
Les montages parallèle double sont une association en série (car traversés par le
même courant Ic) de deux redresseurs parallèles simples. Un premier à cathodes
communes qui fournit une tension UAN(θ) et un second à anodes communes qui
fournit une tension UBN(θ).
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Redresseur triphasé à diodes à double alternance en pont : Montage PD3 à diodes
Allure de la tension de sortie
A
La tension de sortie uC est donc :
uC ( )  u AN ( )  uBN ( )
u AN   :
tension de sortie d’un montage
redresseur parallèle simple à cathodes
communes. La plus positive des tensions
simples.
N
uBN  : tension de sortie d’un montage
B
redresseur parallèle simple à anodes
communes. La plus négative des tensions
simples.
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Redresseur triphasé à diodes à double alternance en pont : Montage PD3 à diodes
3 V2
2
V6
U13 U23 U21 U31 U32 U12=V1-V2
V2
iD1
vD1
1
2
3
2
3
1
D3
D5
D1
Vs
Ic
D3
D5
0
i1
Vs
D2
D4
D6
D6
D2
D4
Ic
D1
0
D2
i1
iD1
T
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Redresseur triphasé à diodes à double alternance en pont : Montage PD3 à diodes
- Tension moyenne aux bornes de la charge :
Avec:
U  3Veff
- Tension inverse aux bornes d’une diode :
Pour une conduction continue
- Etude des courants :
• Courant moyen dans la charge :
• Courant moyen dans une diode :
• Courant efficace dans une diode :
Ic 
Vcmoy
R
I
ID  C
3
I Deff 
Ic
3
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Imperfection
L’empiètement
62
Imperfection
L’empiètement
63
Imperfection
L’empiètement
Pendant un court instant, dépendant directement de la valeur de l’inductance du réseau,
les diodes D1 et D2 seront simultanément en conduction. On parle alors d’empiètement
Le même raisonnement s’appliquant aux diodes D3 et D4, les 4 diodes du pont PD2 sont
en conduction durant l’empiètement.
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Imperfection
L’empiètement
La conduction des diodes a pour effet de court-circuiter la tension de sortie. L’allure de
la tension de sortie.
La tension moyenne de sortie se trouve alors diminuée par rapport au cas sans
empiètement.
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