Redresseur double alternance – Guide complet : fonctionnement, formule, circuit et applications

L'énergie électrique est initialement fournie sous forme de courant alternatif (CA), dont le sens de rotation est variable. Mais la plupart des appareils électroniques nécessitent du courant continu (CC), qui ne circule que dans un seul sens. Le processus de conversion du courant alternatif en courant continu est appelé redressement, et le circuit utilisé pour réaliser ce processus est appelé redresseur.

Un redresseur double alternance est un circuit redresseur courant et très important, souvent utilisé dans les alimentations, les chargeurs et divers appareils électroniques. Contrairement au redresseur demi-alternance qui n'utilise qu'une seule alternance de courant alternatif, le redresseur double alternance utilise les alternances positive et négative. Il est donc plus efficace et le courant continu de sortie présente une ondulation plus faible et plus stable.

Dans ce guide, nous présenterons en détail le redresseur pleine onde, y compris sa définition, son schéma de redresseur pleine onde, son principe de fonctionnement, sa forme d'onde de sortie, les formules associées, ses principaux avantages et ses différences avec le redresseur demi-onde.

Qu'est-ce qu'un redresseur à onde complète ?

Un redresseur double alternance est un circuit redresseur électronique capable de convertir les alternances positives et négatives du courant alternatif (CA) en courant continu pulsé (CC). Son composant principal est la diode de redressement, qui permet au courant de circuler dans un seul sens, réalisant ainsi la conversion du courant alternatif en courant continu.

Comparé au redresseur demi-onde qui n'utilise qu'une demi-alternance de courant alternatif, le redresseur double alternance permet d'obtenir une tension continue moyenne plus élevée et une sortie plus stable grâce à une ondulation réduite. Il existe deux principales méthodes de mise en œuvre : l'une consiste à utiliser un transformateur à prise médiane associé à deux diodes de redressement ; l'autre consiste à utiliser un pont redresseur à quatre diodes.

Le processus d’utilisation simultanée des cycles positifs et négatifs du courant alternatif et de leur conversion en courant continu est appelé redressement à onde complète.

Comment est dérivé le redressement double alternance

Pour comprendre le redresseur double alternance, vous pouvez commencer par le redresseur simple alternance et développer votre compréhension étape par étape.

Dans un redresseur demi-onde, seule la moitié du courant alternatif est utilisée (l'alternance positive ou négative), l'autre moitié étant bloquée. Il en résulte un courant continu pulsé en sortie, et la moitié de l'énergie d'entrée est perdue.

Le redresseur double alternance est différent. Il exploite à la fois l'alternance positive et négative, en utilisant également l'alternance « perdue », ce qui le rend plus efficace.

Le redresseur double alternance peut être compris étape par étape de la manière suivante :

•  Tout d'abord, examinons le circuit redresseur demi-onde, qui ne laisse passer que la demi-alternance positive à travers la charge.

•  Imaginez un autre circuit identique, mais dont le signal d'entrée est déphasé de 180 degrés (inversion de phase). Ainsi, la demi-période négative initiale devient positive et peut traverser la charge.

•  Si l'on combine les sorties de ces deux circuits, les demi-cycles positif et négatif contribueront tous deux à la sortie.

Ainsi, le courant de sortie circule dans le même sens, formant un courant continu pulsé. C'est le principe de base du redresseur double alternance.

Cependant, dans les circuits réels, il n'est pas pratique d'utiliser deux sources de courant alternatif distinctes et de les maintenir parfaitement synchronisées. C'est trop complexe et irréaliste.

En pratique, un redresseur double alternance est généralement mis en œuvre de deux manières plus simples :

•  Utilisation d'un transformateur à point milieu

•  Utilisation d'une configuration de redresseur en pont

Ces deux méthodes permettent d'obtenir le même résultat avec une seule source de courant alternatif. C'est pourquoi le redresseur double alternance est si largement utilisé dans les appareils électroniques.

Configurations de circuits redresseurs à onde complète

Il existe principalement deux méthodes de mise en œuvre du circuit redresseur à double alternance :

Redresseur double alternance à point milieu

Ce circuit est composé d'un transformateur à point milieu, de deux diodes de redressement et d'une résistance de charge. En fonctionnement, lors de l'alternance positive du courant alternatif, la diode D1 conduit et D2 est polarisée en inverse, le courant circulant alors dans un seul sens à travers la charge. Lors de l'alternance négative, D2 conduit et D1 est polarisée en inverse, mais le courant circule toujours dans le même sens. Ainsi, à chaque alternance, une diode est active, produisant un courant continu pulsé.

Ses avantages résident dans sa structure simple et le fait qu'il ne nécessite que deux diodes. Comparé au redresseur demi-onde, il offre une tension continue plus élevée et un signal de sortie plus stable. Cependant, l'utilisation d'un transformateur à point milieu spécifique augmente le coût et l'encombrement. De plus, chaque diode doit supporter une tension inverse de crête (PIV) égale à deux fois la tension d'entrée. Ce circuit constitue une version ancienne du redresseur double alternance.

Pont redresseur à onde complète

Le redresseur en pont, ou redresseur à pont complet, est composé de quatre diodes redresseuses montées en pont et ne nécessite pas de transformateur à point milieu. Lors de l'alternance positive, les diodes D1 et D2 conduisent, tandis que D3 et D4 sont polarisées en inverse, et le courant circule dans un seul sens à travers la charge. Lors de l'alternance négative, D3 et D4 conduisent, tandis que D1 et D2 sont polarisées en inverse, et le courant circule toujours dans le même sens.

Cette structure ne nécessite pas de transformateur à point milieu, offre un meilleur rendement et est plus compacte que la conception à point milieu. Cependant, son inconvénient réside dans le fait que chaque alternance implique la conduction simultanée de deux diodes, ce qui entraîne une chute de tension d'environ 1.4 V (pour les diodes au silicium). En cas de courant élevé, elle est sujette à la dissipation thermique et requiert l'ajout d'un dissipateur. Le redresseur double alternance en pont est actuellement le circuit redresseur le plus répandu.

Forme d'onde de sortie d'un redresseur à double alternance

La sortie d'un circuit redresseur double alternance est en réalité une onde continue pulsée. Sans filtre, la sortie serait une série d'impulsions positives. Chaque demi-cycle du courant alternatif serait redressé une fois, de sorte que la fréquence de sortie serait le double de la fréquence d'entrée. Par exemple, si l'entrée est de 50 Hz, la sortie serait de 100 Hz.

L'ajout d'un filtre, par exemple en connectant un condensateur aux bornes de la charge, peut lisser la forme d'onde, réduire l'ondulation et obtenir une tension de sortie plus proche d'une tension continue stable. C'est précisément pour cette raison que la sortie du redressement double alternance est beaucoup plus régulière que celle du redressement demi-alternance, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications d'alimentation.

Formules de redressement à onde complète

Voici les formules importantes pour un redresseur à double alternance :

• Tension de sortie CC:

• Courant efficace:

• Facteur de forme:

• Facteur de crête:

• Facteur d'ondulation:

(Bien inférieur au redresseur demi-onde, qui a 1.21).

• Efficacité:

• Tension inverse de crête (PIV):

Pour un redresseur à prise médiane : PIV = 2 Vm

Pour le pont redresseur : PIV = Vm

Ces formules aident à concevoir et à analyser un circuit redresseur à onde complète pour des applications réelles.

Avantages d'un redresseur à onde complète

Comparé au redresseur demi-onde, le redresseur pleine onde est plus performant dans de nombreux aspects et est donc plus largement utilisé dans les circuits pratiques :

• Rendement supérieur : Le redresseur demi-onde n’utilise le courant alternatif (CA) que pendant une demi-alternance, avec un rendement d’environ 40 %. Les redresseurs double alternance peuvent utiliser simultanément les deux demi-alternances, atteignant un rendement d’environ 81 % et un taux d’utilisation de l’énergie électrique plus élevé.

• Sortie plus stable : Étant donné que la fréquence de sortie du redressement double alternance est le double de celle du courant alternatif d'entrée, la fluctuation de tension est plus rapide, l'ondulation est naturellement plus faible et le courant continu (CC) résultant est plus stable.

• Tension de sortie moyenne plus élevée : La tension de sortie continue d’un redresseur double alternance est environ 0.637 fois supérieure à la tension alternative de crête, tandis que celle d’un redresseur simple alternance n’est que de 0.318 Vm. Une tension plus élevée permet de fournir une force d’attaque plus importante à la charge.

• Meilleur facteur d'utilisation du transformateur (TUF) : les redresseurs à onde complète peuvent utiliser plus pleinement la puissance de l'enroulement secondaire du transformateur, réduire le gaspillage de ressources et maximiser la valeur du volume et du coût du transformateur.

• Condensateur de filtrage plus petit requis : L’amplitude d’ondulation étant plus faible et la tension de sortie déjà relativement stable, un condensateur de filtrage plus petit suffit pour lisser davantage le signal, comparativement au redressement demi-onde. Ceci permet non seulement de gagner de la place et de réduire les coûts des matériaux, mais aussi de miniaturiser les circuits.

• Fiabilité accrue : Le courant circulant dans la charge reste toujours dans le même sens, réduisant ainsi les pertes potentielles de l'appareil dues aux inversions fréquentes du courant inverse, et améliorant de ce fait la stabilité et la durée de vie du circuit.

• Applications larges : le redresseur à onde complète est presque une configuration standard dans les circuits d'alimentation et est largement utilisé dans les situations où le courant alternatif est converti en courant continu, comme les alimentations à découpage, les chargeurs de batterie, les adaptateurs pour ordinateurs portables et téléphones portables, les systèmes UPS et divers produits électroniques grand public.

Inconvénients du redresseur double alternance

Bien que le redresseur double alternance présente de nombreux avantages, il convient également de tenir compte de certaines de ses limitations lors de son utilisation dans la conception de circuits.

1. Conception de circuits plus complexes

Comparé au redresseur demi-onde, le redresseur double alternance nécessite davantage de composants. La structure à point milieu requiert un transformateur dédié, tandis que la structure en pont nécessite quatre diodes, ce qui complexifie l'ensemble.

2. Nombre de composants plus élevé

Un redresseur double alternance nécessite généralement 2 ou 4 diodes, ce qui augmente le coût de conception et les points de défaillance potentiels.

3. Chute de tension dans le pont redresseur

Dans un redresseur à double alternance en pont, deux diodes conduisent simultanément, provoquant une chute de tension d'environ 1.4 V et réduisant ainsi la tension de sortie.

4. Exigences relatives au transformateur (type à prise centrale) 

Le redresseur double alternance à point milieu nécessite un transformateur spécial, ce qui augmente son coût et sa taille, et limite son application.

5. Génération de chaleur

La conduction de plusieurs diodes entraîne des pertes de puissance sous forme de chaleur. Un redresseur double alternance nécessite une conception permettant la dissipation de chaleur à courants élevés.

6. Considérations de conception pour la PIV

Les diodes du redresseur double alternance doivent satisfaire aux exigences PIV ; sinon, elles risquent d'être endommagées.

Redresseur demi-onde vs redresseur pleine onde

Le redresseur demi-alternance est l'un des circuits redresseurs les plus simples. Son principe de fonctionnement consiste à laisser passer une demi-alternance du courant alternatif (CA) tout en bloquant l'autre demi-alternance. Une seule diode à jonction PN, associée à une résistance de charge et parfois à un transformateur d'isolation ou de régulation de tension, permet de convertir un courant alternatif sinusoïdal en tension continue pulsée.

Le courant de sortie de ce type de circuit est unidirectionnel, mais non régulier ; il s'agit plutôt d'une série d'impulsions. Par conséquent, un filtre est généralement nécessaire pour obtenir un courant continu plus stable. Comparé au redresseur double alternance, son rendement est bien inférieur, car la moitié de la forme d'onde du courant alternatif est gaspillée. Mais c'est précisément en raison de sa structure très simple qu'il est fréquemment utilisé dans les manuels, les expériences de laboratoire et certains circuits de prototypage rapide. On peut dire que les redresseurs demi-alternance constituent une première étape pour comprendre le principe du redressement et approfondir l'apprentissage des différents types de redresseurs, notamment les redresseurs double alternance.

Tableau comparant un redresseur demi-onde et un redresseur pleine onde

Ce tableau met en évidence pourquoi le redresseur à onde complète est le choix préféré dans la plupart des circuits redresseurs.

Les termes clés expliqués

Comprendre certains termes de base courants peut nous aider à bien comprendre le fonctionnement d'un redresseur double alternance.

1. Cycle

Un cycle correspond à une onde complète d'un signal de courant alternatif (CA). Dans un redresseur double alternance, chaque cycle est composé d'une alternance positive et d'une alternance négative.

2. Demi-cycle positif

L'alternance positive correspond à la portion du signal alternatif située au-dessus de l'axe horizontal. Dans un redresseur double alternance, cette partie contribue directement au courant de sortie.

3. Demi-cycle négatif

L'alternance négative correspond à la portion du signal alternatif située sous l'axe horizontal. Dans un redresseur double alternance, cette portion est convertie en un courant positif grâce à des diodes, permettant ainsi au redresseur d'exploiter la totalité du signal.

4. Courant continu pulsé

Le courant de sortie d'un redresseur double alternance n'est pas un courant continu pur, mais un courant continu pulsé. Cela signifie que la tension circule dans un seul sens, mais que son amplitude varie. Un filtre est souvent utilisé avec un redresseur double alternance pour lisser ce courant de sortie.

5. Rectification

Le redressement est le processus de conversion du courant alternatif (CA) en courant continu (CC). Un redresseur double alternance effectue un redressement double alternance en convertissant les deux alternances du signal CA en un courant continu utilisable.

6. Ondulation

L'ondulation désigne les faibles fluctuations présentes à la sortie d'un redresseur double alternance. Bien qu'un redresseur double alternance produise moins d'ondulation qu'un redresseur simple alternance, un filtrage reste nécessaire pour les applications sensibles.

7. Doublement de fréquence

L'une des principales caractéristiques d'un redresseur double alternance est que sa fréquence de sortie est le double de sa fréquence d'entrée. Cela le rend plus efficace et plus facile à filtrer.

Conclusion

Le redresseur double alternance est un élément fondamental et essentiel des circuits électroniques. Il exploite les alternances positives et négatives du courant alternatif (CA). Comparé au redresseur simple alternance, il est plus efficace et le courant continu (CC) de sortie est plus stable et moins ondulatoire.

Il est essentiel pour les étudiants, les ingénieurs et les passionnés d'électronique d'apprendre et de maîtriser le schéma, les formules et le principe de fonctionnement du redresseur à double alternance. En effet, lors de la conception d'alimentations, de chargeurs de batterie ou d'autres systèmes CC, le redressement à double alternance garantit un fonctionnement stable et fiable du circuit.