les circuits à diodes: le redresseur simple alternance

Le redresseur simple alternance

La plupart des systèmes électroniques tels que les postes TV HD, les chaînes stéréo, les ordinateurs, ont besoin d'une tension continue pour fonctionner.
Puisque la tension fournie par le réseau électrique est alternative, la première chose que l'on doit faire c'est de transformer cette tension alternative (tension AC) en tension continue (tension DC). La partie du montage qui effectue cette opération s'appelle l'alimentation. Elle est constituée de circuits appelés redresseurs, qui permettent au courant de circuler dans une seule direction.

Le schéma (a) illustre un redresseur simple alternance. La source AC délivre une tension alternative. Dans le cas d'une diode idéale, l'alternance positive (demi- période positive) polarise la diode en direct. L'interrupteur équivalent à la diode est alors fermé
Le schéma (b) et la tension de la source se retrouve sur la résistance de charge. Pendant l'alternance négative (demi-période négative), la diode est polarisée en inverse. Dans ce cas, l'interrupteur est ouvert
Le schéma (c) et il n'y a plus de tension sur la charge.

Signal idéal

La figure (a) illustre la forme du signal d'entrée. C'est une tension sinusoïdale avec une valeur instantanée v_in, et une valeur crête V_p(in) (V pic à l'entrée). Une telle sinusoïde possède une valeur moyenne nulle sur une période car chaque valeur instantanée de l'alternance positive a son opposée dans l'alternance négative. La mesure de cette tension au voltmètre DC donne zéro car il indique la valeur moyenne. Pendant la demi-période positive (figure (b)), la diode est conductrice; elle est bloquée pendant la demi-période négative. De ce fait, le circuit élimine les demi-cycles négatifs, comme le montre la figure (c).
On appelle cette forme de signal un signal simple alternance; il donne un courant redressé dans la charge, ce qui veut dire que le courant ne circule que dans un sens. Si la diode était inversée, elle deviendrait polarisée en direct quand la tension d'entrée est négative. Il en résulterait des impulsions de sortie négatives comme le montre la figure (d). Notez comment les pics négatifs sont décalés des pics positifs et suivent les alternances négatives de la tension d'entrée.

Un signal simple alternance comme celui de la figure (c) est une tension périodique qui croît jusqu'à un maximum, décroît jusqu'à zéro, et reste nulle pendant toute la demi-période négative. Ce n'est pas cette forme de tension qu'il faut en électronique, c'est une tension continue comme celle donnée par une pile. Pour cela, il faut filtrer la tension simple alternance, et cette fonction sera étudiée plus tard
En pratique, on peut utiliser le modèle idéal de la diode pour l'analyse d'un redresseur simple alternance, et la tension crête de sortie est égale à la tension crête d'entrée.
Cas idéal : V_p(out)=V_p(in)

Valeur moyenne de la tension simple alternance

La valeur statique d'un signal est la même que la valeur moyenne. En effectuant la mesure avec un voltmètre continu, on obtient la valeur moyenne. Dans les cours théoriques, on démontre la formule fondamentale suivante.
Signal simple alternance : V_DC = V_p / π
Prouver cette formule demande des calculs car il faut effectuer la valeur moyenne sur la totalité du cycle. Comme 1/π ≈ 0,318, la relation V_DC = V_p / π devient : V_DC = 0.318V_p

Bon à savoir

La valeur efficace d'un signal simple alternance peut être déterminée par la formule : V_eff = 1.57V_moyenne avec V_moyenne = V_DC = 0.318V_P
Une autre formulation de cette relation est : V_eff = V_p / √2
La valeur efficace d'un signal ondulatoire correspond à la valeur équivalente d'un signal continu qui produirait le même effet thermique.

Fréquence de sortie

La fréquence de sortie est identique à la fréquence d'entrée. Cela tombe sous le sens en regardant la figure: 

chaque cycle du signal d'entrée produit un cycle du signal de sortie.
Signal simple alternance : f_out = f_in

Deuxième approximation

On n'obtient pas un signal simple alternance parfait sur la résistance de charge. En effet, la diode est bloquée tant que le signal est inférieur à 0,7 V. Quand la valeur instantanée de la tension de la source est supérieure à 0,7 V, le signal de sortie devient simple alternance. Par exemple, pour une tension source de 100 V crête, la tension sur la charge est quasiment un signal simple alternance parfait. Si cette valeur crête est de 5 V, le signal sur la charge présente une tension crête de seulement 4,3 V. Pour avoir une meilleure précision, on utilise la relation suivante.

Signal simple alternance : V_p(out)=V_p(in) - 0.7 V

Approximations d'ordre supérieur

Beaucoup de concepteurs veulent être sûrs que la résistance série est nettement plus faible que la résistance de Thévenin du circuit en face de la diode. Pour obtenir une précision supérieure à la deuxième approximation, il faut utiliser un ordinateur et un logiciel de simulation.

Le schéma montre un montage redressement simple alternance réalisé avec le simulateur Proteus 8.13.

Il nous montre la tension simple alternance et un multimètre, branché sur la résistance de 1 kΩ, mesure la tension moyenne. Positionner le commutateur ou le paramètre de couplage de l'entrée verticale de l'oscilloscope à DC. Ceci va nous montrer la tension de charge demi-onde. De plus, le multimètre est en parallèle sur 1kΩ pour lire la tension de charge DC.

Calculez les valeurs théoriques de la tension crête et de la tension continue sur la charge. Comparez avec les valeurs indiquées par l'oscilloscope et le multimètre.

Comme la tension de la source est  10V_eff  la première chose à faire est de calculer la valeur crête de la tension de la source. On sait que la valeur efficace d'une tension sinusoïdale est : V_eff = 0.707V_p

Donc la tension crête de la source de tension:

 V_p = V_eff  / 0.707 = 10 / 0.707 = 14.1 V 

 La tension continue (DC) sur la charge vaut : V_DC = V_p / π =14.1 / π = 4.488 V