Apprendre › Leçon 11

Diodes, redresseurs, filtrage par condensateur et régulateur Zener

8 min de lecture · Équipe bitGateLab

Presque tous les appareils électroniques fonctionnent en courant continu, mais le réseau électrique fournit du courant alternatif. Le passage de l'un à l'autre commence par un composant très simple : la diode. Dans cette leçon, vous verrez comment modéliser une diode pour faire des calculs rapides, comment réaliser un redresseur mono-alternance et un redresseur double alternance en pont, comment un condensateur lisse le résultat et quelle ondulation subsiste, et comment une diode Zener maintient une tension fixe. À la fin, vous saurez calculer pas à pas une alimentation simple.

La diode et ses modèles

Une diode possède deux bornes, l'anode et la cathode, et laisse passer le courant essentiellement dans un seul sens. Lorsque l'anode est plus positive que la cathode, elle est en polarisation directe et conduit ; dans le cas contraire, elle est en polarisation inverse et seul circule un courant de fuite négligeable. Pour calculer des circuits, on utilise deux modèles simples :

• Modèle idéal : en direct, c'est un interrupteur fermé (0 V de chute) et, en inverse, un interrupteur ouvert. Il sert à comprendre le fonctionnement.
• Modèle à chute de tension constante : en direct, la diode présente une chute fixe V_D, d'environ 0.7 V pour les diodes au silicium, et, en inverse, c'est un circuit ouvert. Il donne des résultats proches de la réalité lorsque les tensions du circuit sont de quelques volts.

La courbe réelle est exponentielle : la chute augmente légèrement avec le courant, mais pour la plupart des calculs d'alimentations le modèle à 0.7 V suffit.

Redresseur mono-alternance

Une seule diode en série entre le transformateur et la charge laisse passer les alternances positives et bloque les négatives. La sortie est une suite d'« arches » séparées par des intervalles à zéro, de même fréquence que le réseau.

• Crête de sortie : V_max,out = V_max − 0.7 V.
• Valeur moyenne sans filtrage : V_max,out/π.
• Tension inverse maximale supportée par la diode (PIV) : V_max sans filtrage, et jusqu'à environ 2·V_max s'il y a un condensateur de filtrage, car le condensateur reste chargé pendant que le secondaire atteint sa crête négative.

Redresseur double alternance en pont

Le pont utilise quatre diodes. Pendant l'alternance positive, deux d'entre elles conduisent, et pendant l'alternance négative, ce sont les deux autres, mais les deux alternances font circuler le courant dans la charge dans le même sens. Résultat : les alternances négatives sont « retournées » vers le haut.

• À chaque instant, deux diodes en série conduisent ; on perd donc 2 · 0.7 = 1.4 V : V_max,out = V_max − 1.4 V.
• La fréquence de la sortie est le double de celle du réseau : avec 60 Hz en entrée, la sortie pulse à 120 Hz.
• Valeur moyenne sans filtrage : 2·V_max,out/π, soit le double du cas mono-alternance.
• Chaque diode supporte en inverse environ V_max.

Filtrage par condensateur et tension d'ondulation

Un condensateur en parallèle avec la charge se charge jusqu'à la crête à chaque arche et, pendant que la tension redressée redescend, il fournit du courant à la charge et se décharge un peu. La sortie devient presque constante, avec une petite oscillation appelée ondulation résiduelle. Si l'ondulation est faible devant la crête, on l'estime ainsi :

Vr(càc) ≈ Icharge / (fr · C)

où f_r est la fréquence des arches : 60 Hz en mono-alternance et 120 Hz en pont (avec un réseau à 60 Hz). La tension continue de sortie s'établit autour de V_max,out − V_r/2.

La diode Zener comme régulateur

Une diode Zener est conçue pour travailler en polarisation inverse : lorsqu'elle atteint sa tension de claquage V_Z, elle conduit ce qu'il faut pour maintenir cette tension presque constante. Avec une résistance en série R_S et la charge en parallèle avec la Zener, on obtient un régulateur simple. La résistance absorbe la différence de tension et le courant qui la traverse se partage entre la Zener et la charge :

RS = (Vin − VZ) / (IL + IZ)

La Zener a besoin d'un courant minimal I_Z pour bien réguler. Lorsque la charge consomme moins, la Zener absorbe le courant excédentaire ; elle doit donc supporter la puissance du pire cas : sans charge.

Erreurs fréquentes

• Oublier que, dans le pont, le courant traverse deux diodes, avec une chute totale de 1.4 V.
• Utiliser la fréquence du réseau au lieu de 120 Hz pour calculer l'ondulation d'un pont.
• Confondre la valeur efficace du transformateur avec sa valeur de crête : un secondaire de 12 V donne près de 17 V crête.
• Choisir un condensateur de filtrage dont la tension nominale est tout juste égale à la crête ; gardez de la marge.
• Calculer la puissance de la Zener uniquement avec la charge branchée. Le pire cas est sans charge.

Essayez dans le simulateur

Montez l'alimentation complète étage par étage et observez chaque forme d'onde sur l'oscilloscope virtuel.

1. Placez une source sinusoïdale de 16.97 V d'amplitude et 60 Hz pour représenter le secondaire du transformateur.
2. Branchez une diode et une résistance de charge de 150 Ω, et observez la sortie en mono-alternance.
3. Remplacez la diode par un pont de quatre diodes et comparez la forme d'onde et sa fréquence.
4. Ajoutez un condensateur de 2200 µF en parallèle avec la charge et mesurez l'ondulation crête à crête.
5. Changez le condensateur ou la charge et vérifiez que l'ondulation suit la formule I/(f_r·C).
6. Ajoutez une résistance en série et une Zener de 5.1 V avec sa charge, et observez comment l'ondulation disparaît presque entièrement.

Exercices

1. Un secondaire de 9 V efficaces alimente un redresseur mono-alternance à diode au silicium. Quelle est la crête de sortie ?

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   V_max = 9 · √2 = 12.73 V. Crête de sortie = 12.73 − 0.7 = 12.03 V.

2. Avec le même secondaire et un pont, quelles sont la crête de sortie et la fréquence des arches avec un réseau à 60 Hz ?

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   12.73 − 1.4 = 11.33 V, avec une fréquence de 120 Hz.

3. Un pont fournit 50 mA avec un condensateur de 1000 µF à partir d'un réseau à 60 Hz. Estimez l'ondulation.

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   V_r = 0.05/(120 · 0.001) = 0.42 V crête à crête.

4. Calculez R_S pour un régulateur Zener de 9.1 V à partir de 15 V, avec une charge de 30 mA et 10 mA au minimum dans la Zener.

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   R_S = (15 − 9.1)/(0.030 + 0.010) = 5.9/0.04 = 147.5 Ω. Avec la valeur normalisée de 150 Ω, il passe 5.9/150 = 39.3 mA et il reste 9.3 mA à la Zener, ce qui suffit si son minimum réel est plus faible. Si vous devez garantir les 10 mA, utilisez la valeur inférieure la plus proche, 130 Ω : il passe 45.4 mA et il reste 15.4 mA à la Zener.