Partie 11 - Ch.47

PARTIE 11 • FONCTIONS
47
Diode, thyristor :
le redressement
La conversion d’énergie appelée redressement permet d’obtenir un courant unidirectionnel à partir d’un courant alternatif sinusoïdal.
Une diode peut assurer cette fonction redressement. Le thyristor assure lui aussi
cette fonction, le redressement est alors dit « commandé ».
AVANT DE DÉMARRER…
La diode
La diode (fig. 1) est un composant réalisé à partir d’une
jonction PN placée dans un boîtier et reliée à deux pattes
de connexions.
Par convention, la zone de type P est nommée anode (A)
et la zone de type N est nommée cathode (C).
Le thyristor
Anode (A)
Cathode (C)
Fig. 1 Symbole de la diode.
A
Le thyristor (fig. 2) possède trois électrodes :
– l’anode A ;
– la cathode C ;
– la gâchette G.
Son symbole est celui d’une diode complété d’une électrode de commande (G).
C
G
Fig. 2 Symbole du thyristor.
OBSERVONS
•
La diode
– Montage en courant continu (fig. 3)
Sur un générateur à courant continu (U = 10 V) est
monté une diode (1N4004) en série avec une résistance (R = 40 Ω).
Relevons le courant I, la tension UR et la tension UAC :
I = 0,23 A ; UR = 9,2 V ; UAC = 0,8 V.
Un courant circule dans le montage.
284
DIODE, THYRISTOR : LE REDRESSEMENT
V
I
A
D
U
UAC
V
UR
Fig. 3 Montage en courant continu.
R
Si nous inversons les polarités de la source (ou de la diode), nous relevons alors les valeurs
suivantes :
I = 0 A ; UR = 0 V ; UAC = 10 V.
L’intensité du courant dans la charge R est nulle.
– Montage en courant alternatif sinusoïdal monophasé (fig. 4)
La même diode (1N4004) est montée en série avec
une résistance (R = 18 Ω) sur une source alternative
D
sinusoïdale u = 24√2 sin 100 pt.
U
IR
A
V
U
R
Relevons, pour la tension et le courant dans la résistance, les valeurs efficace et moyenne :
–
–
IR = 0,57 A ; IR = 0,9 A ; U R = 10,9 V ; UR = 17 V
Fig. 4 Montage en courant alternatif.
R
Relevons les oscillogrammes des tensions u(t), uR(t) et uD(t) aux bornes de la source, de la résistance et de la diode (fig. 5) :
40
u(V)
20
T
– de 0 à
: uR = u et uD = 0
2
– de
T
à T : uR = 0 et uD = u
2
t(s)
0
T
2
–20
T
–40
40
uR(V)
20
t(s)
0
T
2
–20
T
–40
À chaque instant, la somme des tensions uR et uD
est égale à la tension de la source.
40
uD(V)
20
t(s)
0
T
2
–20
T
–40
Fig. 5 u(t), uR(t) et uD(t).
•
Le thyristor
Un thyristor Th est monté (fig. 6) en série avec une
résistance R sur une source alternative sinusoïdale.
Un générateur d’impulsions relié à la gâchette du
thyristor permet de le commander.
UAC
IR
Th
U
IG
U
R
R
Générateur
Relevons les oscillogrammes des tensions u(t), uR(t)
d'impulsions
et uAC(t) aux bornes de la source, de la résistance et
du thyristor ainsi que les impulsions de commande
Fig. 6 Montage en courant alternatif.
(fig. 7) :
DIODE, THYRISTOR : LE REDRESSEMENT
285
PARTIE 11 • FONCTIONS
– de 0 à t1 :
– à t1 :
– de t1 à T/2 :
– à T/2 :
– de T/2 à T :
uR = 0 et uAC = u
impulsion sur la gâchette
uR = u et uAC = 0
uAC = 0 et uR = 0
uR = 0 et uAC = u
u
t(s)
IG
t(s)
uR
t(s)
À chaque instant, la somme des tensions uR et
uAC est égale à la tension de la source.
uAC
T
t1
T/2 t2
t(s)
T + t1
Fig. 7 Les oscillogrammes.
À SAVOIR
1. Modèle de la diode idéale
1
a) Seuil de tension d’une diode réelle
Nos relevés ont montré qu’il existait une différence
de potentiel de 0,8 V aux bornes de la diode. Cette
tension est positive et elle est notée tension de
seuil U0. Sur la caractéristique réelle de la diode
(fig. 8), nous remarquons que le courant s’établit
dans le circuit dès que la tension de seuil de la
diode est atteinte, soit 0,8 V.
I(A)
0,8
Diode
en
inverse
0,6
0,4
Diode
en
direct
0,2
– 40
U0 U(V)
0,2 0,4 0,6 0,8 1
Fig. 8 Caractéristique réelle d’une diode.
b) Diode idéale (fig. 9)
Le seuil de tension est négligé (U0=0).
- Lorsque l’anode de la diode est branchée sur la
borne positive du générateur à courant continu,
un courant I circule dans le circuit car la diode est
passante ; on dit qu’elle est montée en direct et
peut être assimilée à un interrupteur fermé.
I
Diode
en inverse
I=0
Interrupteur
ouvert
Diode
en direct
U=0
Interrupteur
fermé
- En inversant les polarités du générateur, ou en
U
inversant le branchement de la diode, la borne
négative du générateur se trouve raccordée à
l’anode de celle-ci. Le courant ne circule plus, la
diode est montée en inverse et peut être assiFig. 9 Caractéristique idéale d’une diode.
milée à un interrupteur ouvert.
286
DIODE, THYRISTOR : LE REDRESSEMENT
c) Valeurs caractéristiques d’une diode
Le choix d’une diode est fonction :
– du courant direct maximal (IFAV) ;
et
– de la tension inverse maximale (VRRM).
Ces deux valeurs, si elles sont dépassées, entraînent la destruction du composant, par échauffement ou par claquage de la jonction.
Exemple : pour la diode 1N4004, IFAV = 1A et VRRM = 400 V.
2. Redressement P1 sur charge résistive
Le montage général est donné figure 10.
La fonction redresseur de type P1 peut être réalisée :
u~
– à l’aide d’une diode,
ou
– à l’aide d’un thyristor.
P1
Charge
Fig. 10 La fonction P1.
a) La diode est un redresseur à commutation naturelle
Reprenons, à partir de la figure 5, l’oscillogramme de
la tension aux bornes de la résistance R (fig. 11).
Nous avons, aux bornes de la résistance R, une tension
unidirectionnelle obtenue grâce à la diode, qui assure
ainsi une fonction redresseur :
– de 0 à T/2, la diode est passante ;
– de T/2 à T, la diode est bloquée.
40
^
UR
20
uR(V)
t(s)
0
– 20
T
2
T
– 40
Fig. 11 uR(t).
Relations pour la charge R :
Valeur maximale :
Valeur moyenne :
Valeur efficace :
^ ^
UR = U = U √ 2
^
U√2
UR = U
p = p h 0,45 U
^
UR = U = U √ 2 h 0,71 U
2
2
b) Le thyristor est un redresseur à commutation commandée
Le thyristor peut prendre deux états, bloqué (interrupteur ouvert) ou passant (interrupteur
fermé).
• Amorçage du thyristor
Un thyristor est amorcé (passant) si :
– la tension à ses bornes (uAC) est positive ;
et
– le courant de gâchette (IG) positif existe.
DIODE, THYRISTOR : LE REDRESSEMENT
287
PARTIE 11 • FONCTIONS
• Blocage du thyristor
Le blocage du thyristor est obtenu soit en annulant la tension uAC, soit en la rendant négative.
Si le courant iR devient inférieur au courant de maintien im de la conduction, le thyristor se
bloquera.
Reprenons, à partir de la figure 7, les oscillogrammes des tensions uR(t) et uAC(t) (fig. 12).
De 0 à t1 :
uAC > 0 et IG = 0 ⇒ Thyristor bloqué donc uR = 0 et iR = 0.
À t1 :
uAC > 0 + Impulsion sur la gâchette ⇒ Amorçage.
uR
t
De t1 à T/2 :
u
uAC > 0 ⇒ Thyristor passant donc uR = uC et iR = R .
R
À T/2
uAC = 0 ⇒ Blocage du thyristor.
uAC
T
t1
De T/2 à T :
uAC < 0 ⇒ Thyristor bloqué donc uR = 0 et iR = 0.
T/2
t2
t
T + t1
Thyristor bloqué
Amorçage
L’angle de retard à l’amorçage a est défini par
rapport à l’instant t1 : a = w . t1 et 0 < a < p
Thyristor passant
Blocage
Thyristor bloqué
Fig. 12 Les oscillogrammes uR(t) et uAC(t).
Nous avons, aux bornes de la résistance R, une tension unidirectionnelle.
À chaque période, il faut répéter l’amorçage puisque, après la conduction, le thyristor se
trouve sous tension inverse (donc bloqué) pendant une alternance.
Le courant qui traverse R est à chaque instant proportionnel à uR.
À tout instant : u = uAC + uR.
c) Conclusion : différence entre diode et thyristor
• La diode est un redresseur à commutation naturelle limitée à uAC > 0.

 une diode
• Le thyristor est  un redresseur  commandé(e).
La commutation est contrôlée : uAC > 0 ne suffit pas, il faut aussi Ig > 0.
288
DIODE, THYRISTOR : LE REDRESSEMENT
3. Redressement P1 sur une charge inductive
IRL
a) Effet de l’inductance L
L
D1
La charge inductive (fig. 13) est formée d’un
résistor de résistance R en série avec un réactor
d’inductance L.
La tension de la source est alternative sinusoïdale.
Nous observons, sur les oscillogrammes (fig. 14)
de la tension URL aux bornes de la charge et du
courant IRL dans la charge, que :
T
– de 0 à 2 : URL = U ;
T
– de
à t2 : URL = U avec URL < 0 ;
2
URL = 0.
– de t2 à T :
U
R
URL
Fig. 13 Redressement P1 sur charge RL.
URL
IRL
t
t1 T
2
t2
T
Fig. 14 Oscillogrammes de URL et de IRL.
Le courant IRL augmente plus lentement que pour une charge résistive et se prolonge jusqu’à
t2 alors que la tension URL est négative.
La diode D1 reste passante jusqu’à t2 car le potentiel de sa cathode reste inférieur à celui de
son anode.
Entre 0 et t1, le courant croît, la bobine emmagasine de l’énergie.
Entre t1 et t2, le courant décroît, la bobine restitue son énergie.
b) Avec une diode de roue libre
Une diode D2, nommée diode de roue libre (fig. 15), est montée en parallèle aux bornes de
la charge.
IRL
URL
IRL
L
D1
U
D2
URL
t
R
Fig. 15 Montage avec diode de roue.
T
2
T
Fig. 16 Avec la diode de roue libre.
Les oscillogrammes indiquent que (fig. 16) :
T
: URL = U. La diode D1 conduit et la diode D2 est non passante (fig. 10).
2
T
– à partir de
, la bobine libère son énergie, un courant circule dans la diode D2.
2
T
– de
à T : URL = 0. La diode D1 est non passante et la diode D2 conduit.
2
– de 0 à
La tension URL n’est plus négative.
DIODE, THYRISTOR : LE REDRESSEMENT
289
PARTIE 11 • FONCTIONS
TESTEZ VOS CONNAISSANCES
Une source sinusoïdale U = 400 V alimente une
résistance R = 80 Ω en série avec une diode D.
Quelle est la valeur moyenne de l’intensité du courant ?
a) 5,4 A
c) 4,5 A
b) 7,5 A
d) 2,25 A
1. Quel est le composant associé à chaque oscilloscope ci-dessous ?
Oscillogramme n°1
t(s)
a) Diode.
b) Thyristor.
c) Aucun.
d) Les deux.
t(s)
a) Diode.
b) Thyristor.
c) Aucun.
d) Les deux.
t(s)
a) Diode.
b) Thyristor.
c) Aucun.
d) Les deux.
t(s)
a) Diode.
b) Thyristor.
c) Aucun.
d) Les deux.
uR(V)
Pour la situation précédente, quelle est la valeur effi-
T
cace de l’intensité du courant ?
a) 5,5 A
c) 3,5 A
b) 6 A
d) 8 A
Oscillogramme n°2
uR(V)
Choisir la diode D de l’exercice précédent : une
seule peut convenir, laquelle ?
a) BYM56-E ; 3,5 A ; 1 000 V.
b) BYW55 ; 2 A ; 800 V.
c) BYW95 ; 3 A ; 400 V.
d) BYM56-B ; 3,5 A ; 400 V.
T
Oscillogramme n°3
Un
uR(V)
montage redresseur P1 à diode alimente un
résistor de résistance R = 23 Ω. Une tension sinusoïdale 230 V / 50 Hz alimente l’ensemble.
1. Calculer les valeurs maximale, moyenne et efficace de la tension aux bornes de la charge.
2. Calculer la puissance dissipée dans ce résistor.
Un montage redresseur P1 à thyristor alimente un
T
Oscillogramme n°4
uR(V)
résistor R. Une tension sinusoïdale 230 V / 50 Hz
alimente l’ensemble.
Th
U
UAC
UR
R
T
Fig. 17
Tracer les courbes u(t), uR(t) et uAC(t) aux bornes de
la source, de la résistance et du thyristor pour un
angle de retard à l’amorçage de p .
3
La figure 18 présente un résistor R alimenté par un
montage inconnu. La source est alternative sinusoïdale.
U
UR
R
U
UR
R
IR
u(V)
t(s)
U
?
Fig. 18
290
2. Quel est, s’il existe, le montage associé à chaque
oscillogramme ?
e)
f)
IR
IR
DIODE, THYRISTOR : LE REDRESSEMENT
g)
UR
h)
IR
IR
R
U
UR
R
U
UR
R