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Circuit de Redressement Simple à Diode

Circuit de Redressement Simple à Diode

Circuit de Redressement Simple à Diode

Comprendre le Redressement à Diode

Le redressement est le processus de conversion d'une tension alternative (AC), qui change périodiquement de polarité, en une tension continue (DC), qui a une polarité constante. Les diodes, composants semi-conducteurs qui ne laissent passer le courant que dans un seul sens, sont les éléments clés des circuits redresseurs. Le circuit de redressement le plus simple est le redresseur simple alternance (ou demi-onde), qui utilise une seule diode pour bloquer une moitié du cycle de l'onde AC, ne laissant passer que l'autre moitié.

Bien que simple, ce type de redressement produit une tension DC pulsée avec une ondulation importante. Il est souvent suivi d'un filtrage (par exemple, avec un condensateur) pour lisser la tension de sortie et la rapprocher d'une tension DC constante. L'analyse de ce circuit permet de comprendre les concepts de base de la conversion AC-DC, tels que la tension de crête, la tension moyenne (DC), le courant moyen, et la tension inverse de crête (PIV) que la diode doit supporter.

Cet exercice se concentre sur l'analyse d'un circuit redresseur simple alternance alimentant une charge résistive.

Données de l'étude

Un circuit redresseur simple alternance est alimenté par une source de tension alternative sinusoïdale et alimente une charge résistive.

Caractéristiques du circuit :

  • Tension efficace de la source AC (\(V_{\text{eff,in}}\)) : \(12 \, \text{V}\)
  • Fréquence de la source AC (\(f\)) : \(50 \, \text{Hz}\)
  • Diode : On la considérera comme ayant une tension de seuil (chute de tension directe) constante \(V_D = 0.7 \, \text{V}\) lorsqu'elle conduit, et une résistance infinie lorsqu'elle est bloquée.
  • Charge résistive (\(R_L\)) : \(100 \, \text{Ω}\)
Schéma du Circuit Redresseur Simple Alternance
Vin(t) D RL Vout(t)

Circuit redresseur simple alternance avec une diode et une charge résistive.

Questions à traiter

  1. Calculer la tension de crête (amplitude maximale) de la source AC (\(V_{\text{peak,in}}\)).
  2. Calculer la tension de crête à la sortie du redresseur (\(V_{\text{peak,out}}\)), aux bornes de la charge \(R_L\).
  3. Calculer la valeur moyenne (DC) de la tension de sortie (\(V_{\text{DC,out}}\)).
  4. Calculer le courant moyen (DC) dans la charge (\(I_{\text{DC,load}}\)).
  5. Calculer la puissance moyenne (DC) dissipée par la charge (\(P_{\text{DC,load}}\)).
  6. Déterminer la Tension Inverse de Crête (PIV ou VRRM) que la diode doit pouvoir supporter.
  7. Si la diode était idéale (\(V_D = 0 \, \text{V}\)), quelles seraient les nouvelles valeurs de \(V_{\text{peak,out}}\) et \(V_{\text{DC,out}}\) ?

Correction : Circuit de Redressement Simple à Diode

Question 1 : Tension de crête de la source AC (\(V_{\text{peak,in}}\))

Principe :

Pour une tension sinusoïdale, la tension de crête \(V_{\text{peak}}\) est reliée à la tension efficace \(V_{\text{eff}}\) par la relation \(V_{\text{peak}} = V_{\text{eff}} \cdot \sqrt{2}\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[V_{\text{peak,in}} = V_{\text{eff,in}} \cdot \sqrt{2}\]
Données spécifiques :
  • Tension efficace d'entrée (\(V_{\text{eff,in}}\)) : \(12 \, \text{V}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{\text{peak,in}} &= 12 \, \text{V} \cdot \sqrt{2} \\ &\approx 12 \cdot 1.4142 \\ &\approx 16.97 \, \text{V} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La tension de crête de la source AC est \(V_{\text{peak,in}} \approx 16.97 \, \text{V}\).

Quiz Intermédiaire 1 : La valeur efficace d'une tension sinusoïdale est :

Question 2 : Tension de crête à la sortie (\(V_{\text{peak,out}}\))

Principe :

Lorsque la diode conduit (pendant l'alternance positive de la tension d'entrée, si la tension d'entrée est supérieure à la tension de seuil de la diode), il y a une chute de tension \(V_D\) aux bornes de la diode. La tension de sortie de crête est donc la tension d'entrée de crête moins cette chute de tension.

Formule(s) utilisée(s) :
\[V_{\text{peak,out}} = V_{\text{peak,in}} - V_D\]
Données spécifiques :
  • \(V_{\text{peak,in}} \approx 16.97 \, \text{V}\) (de Q1)
  • Tension de seuil de la diode (\(V_D\)) : \(0.7 \, \text{V}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{\text{peak,out}} &= 16.97 \, \text{V} - 0.7 \, \text{V} \\ &= 16.27 \, \text{V} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La tension de crête à la sortie du redresseur est \(V_{\text{peak,out}} \approx 16.27 \, \text{V}\).

Question 3 : Valeur moyenne (DC) de la tension de sortie (\(V_{\text{DC,out}}\))

Principe :

Pour un redresseur simple alternance alimentant une charge résistive, la valeur moyenne de la tension de sortie est la valeur de crête de la sortie divisée par \(\pi\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[V_{\text{DC,out}} = \frac{V_{\text{peak,out}}}{\pi}\]
Données spécifiques :
  • \(V_{\text{peak,out}} \approx 16.27 \, \text{V}\) (de Q2)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{\text{DC,out}} &= \frac{16.27 \, \text{V}}{\pi} \\ &\approx \frac{16.27}{3.14159} \, \text{V} \\ &\approx 5.178 \, \text{V} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La valeur moyenne de la tension de sortie est \(V_{\text{DC,out}} \approx 5.18 \, \text{V}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Pour un signal sinusoïdal complet (non redressé), sa valeur moyenne sur une période est :

Question 4 : Courant moyen (DC) dans la charge (\(I_{\text{DC,load}}\))

Principe :

Le courant moyen dans la charge résistive est obtenu en appliquant la loi d'Ohm à la tension moyenne de sortie et à la résistance de charge.

Formule(s) utilisée(s) :
\[I_{\text{DC,load}} = \frac{V_{\text{DC,out}}}{R_L}\]
Données spécifiques :
  • \(V_{\text{DC,out}} \approx 5.178 \, \text{V}\) (de Q3)
  • \(R_L = 100 \, \text{Ω}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} I_{\text{DC,load}} &= \frac{5.178 \, \text{V}}{100 \, \text{Ω}} \\ &= 0.05178 \, \text{A} \end{aligned} \]

Soit \(I_{\text{DC,load}} \approx 51.8 \, \text{mA}\).

Résultat Question 4 : Le courant moyen dans la charge est \(I_{\text{DC,load}} \approx 0.0518 \, \text{A}\) (ou \(51.8 \, \text{mA}\)).

Question 5 : Puissance moyenne (DC) dissipée par la charge (\(P_{\text{DC,load}}\))

Principe :

La puissance moyenne (DC) dissipée par la charge résistive peut être calculée par \(P = V_{\text{DC}} I_{\text{DC}}\) ou \(P = I_{\text{DC}}^2 R_L\) ou \(P = V_{\text{DC}}^2 / R_L\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[P_{\text{DC,load}} = V_{\text{DC,out}} \cdot I_{\text{DC,load}}\]
Données spécifiques :
  • \(V_{\text{DC,out}} \approx 5.178 \, \text{V}\) (de Q3)
  • \(I_{\text{DC,load}} \approx 0.05178 \, \text{A}\) (de Q4)
Calcul :
\[ \begin{aligned} P_{\text{DC,load}} &= (5.178 \, \text{V}) \cdot (0.05178 \, \text{A}) \\ &\approx 0.2681 \, \text{W} \end{aligned} \]

Vérification avec \(P = I^2 R\): \(P = (0.05178)^2 \cdot 100 \approx 0.002681 \cdot 100 \approx 0.2681 \, \text{W}\).

Résultat Question 5 : La puissance moyenne (DC) dissipée par la charge est \(P_{\text{DC,load}} \approx 0.268 \, \text{W}\).

Quiz Intermédiaire 3 : L'unité de la puissance électrique dans le Système International est le :

Question 6 : Tension Inverse de Crête (PIV)

Principe :

La Tension Inverse de Crête (PIV) est la tension maximale que la diode doit supporter lorsqu'elle est polarisée en inverse (bloquée). Dans un redresseur simple alternance, pendant l'alternance négative de la source, la tension de la source apparaît inversée aux bornes de la diode (en supposant que la tension aux bornes de la charge est nulle car aucun courant ne circule). La PIV est donc égale à la tension de crête de la source d'entrée.

Formule(s) utilisée(s) :
\[\text{PIV} = V_{\text{peak,in}}\]
Données spécifiques :
  • \(V_{\text{peak,in}} \approx 16.97 \, \text{V}\) (de Q1)
Calcul :
\[ \text{PIV} \approx 16.97 \, \text{V} \]
Résultat Question 6 : La Tension Inverse de Crête que la diode doit supporter est \(\text{PIV} \approx 16.97 \, \text{V}\).

Quiz Intermédiaire 4 : Si la PIV nominale d'une diode est dépassée :

Question 7 : Valeurs pour une diode idéale (\(V_D = 0 \, \text{V}\))

Principe :

Si la diode est idéale, sa chute de tension directe est nulle.

Calcul de \(V_{\text{peak,out}}\) (diode idéale) :
\[ \begin{aligned} V_{\text{peak,out (idéal)}} &= V_{\text{peak,in}} - 0 \, \text{V} \\ &= 16.97 \, \text{V} \end{aligned} \]
Calcul de \(V_{\text{DC,out}}\) (diode idéale) :
\[ \begin{aligned} V_{\text{DC,out (idéal)}} &= \frac{V_{\text{peak,out (idéal)}}}{\pi} \\ &= \frac{16.97 \, \text{V}}{\pi} \\ &\approx 5.401 \, \text{V} \end{aligned} \]
Résultat Question 7 : Pour une diode idéale :
  • \(V_{\text{peak,out (idéal)}} \approx 16.97 \, \text{V}\)
  • \(V_{\text{DC,out (idéal)}} \approx 5.40 \, \text{V}\)

Quiz Intermédiaire 5 : L'utilisation d'une diode réelle par rapport à une diode idéale dans un redresseur :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Un redresseur simple alternance utilise :

2. La tension de sortie d'un redresseur simple alternance non filtré est :

3. La Tension Inverse de Crête (PIV) d'une diode dans un redresseur simple alternance est approximativement égale à :

Glossaire

Redressement
Processus de conversion d'une tension alternative (AC) en une tension continue (DC) unidirectionnelle.
Diode
Composant électronique semi-conducteur qui permet principalement le passage du courant dans un seul sens (sens direct) et le bloque dans l'autre (sens inverse).
Redresseur Simple Alternance (Demi-Onde)
Circuit redresseur qui n'utilise qu'une seule diode pour laisser passer une seule des alternances (positive ou négative) du signal AC d'entrée.
Tension Efficace (\(V_{\text{eff}}\) ou \(V_{RMS}\))
Valeur d'une tension alternative qui produirait le même échauffement dans une résistance qu'une tension continue de même valeur. Pour une sinusoïde, \(V_{\text{eff}} = V_{\text{peak}}/\sqrt{2}\).
Tension de Crête (\(V_{\text{peak}}\) ou \(V_m\))
Valeur maximale (amplitude) d'une tension alternative.
Tension Moyenne (DC)
Valeur moyenne d'une tension sur une période. Pour un signal redressé, elle représente sa composante continue.
Tension de Seuil (\(V_D\) ou \(V_F\))
Tension minimale nécessaire aux bornes d'une diode pour qu'elle commence à conduire significativement en sens direct. Typiquement \(0.7 \, \text{V}\) pour une diode au silicium.
Tension Inverse de Crête (PIV - Peak Inverse Voltage)
Tension maximale qu'une diode peut supporter en polarisation inverse sans subir de claquage. Aussi appelée VRRM (Peak Repetitive Reverse Voltage).
Charge Résistive
Composant ou circuit qui s'oppose au passage du courant en dissipant de l'énergie sous forme de chaleur, caractérisé par sa résistance \(R\).
Circuit de Redressement Simple à Diode

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