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Conversion en courant continu

4emePhysique-ChimieTension alternative sinusoïdaleConversion en courant continu~9 min de lecture

Conversion d'une tension alternative en courant continu

Pour passer de la tension alternative de la prise à la tension continue d'un téléphone ou d'une radio, on l'abaisse avec un transformateur, on la redresse avec des diodes, on la lisse avec un condensateur puis on la stabilise.

Objectifs

  • Distinguer une tension alternative sinusoïdale d'une tension continue sur un oscillogramme.
  • Connaître le rôle d'une diode et l'utiliser pour redresser une tension (simple et double alternance).
  • Connaître le rôle du pont de diodes, du condensateur de filtrage et du régulateur.
  • Décrire les quatre étapes de la chaîne de conversion d'une alimentation (chargeur, adaptateur).

1. Rappel : alternatif ou continu ?

Une tension continue garde toujours la même valeur et le même signe : c'est celle d'une pile ou d'une batterie. Son oscillogramme est une droite horizontale.

Une tension alternative sinusoïdale change sans cesse de valeur et de signe : elle est tantôt positive, tantôt négative. Son oscillogramme est une sinusoïde, caractérisée par :

  • sa valeur maximale \(U_{max}\) (la hauteur d'une bosse) ;
  • sa période \(T\) (la durée d'un motif complet) et sa fréquence \( f = \dfrac{1}{T} \).

Pour la tension du secteur, de fréquence \(50\) Hz : \[ T = \frac{1}{f} = \frac{1}{50} = 0{,}02 \text{ s} = 20 \text{ ms} \]

Sur l'écran d'un oscilloscope, une tension continue positive donne…

  1. une sinusoïde.
  2. une droite horizontale au-dessus de l'axe du temps.
  3. une droite verticale.
Une tension continue garde la même valeur dans le temps : le spot trace une droite horizontale, au-dessus de l'axe si elle est positive.

2. La chaîne de conversion en quatre étapes

flowchart LR
  A[Secteur 220 V alternatif] --> B[Transformateur abaisseur]
  B --> C[Redressement par diodes]
  C --> D[Filtrage par condensateur]
  D --> E[Regulation]
  E --> F[Tension continue stable]

Chaque bloc a un rôle précis :

  1. Abaisser : le transformateur diminue la valeur de la tension alternative (par exemple de 220 V à 12 V). Elle reste alternative.
  2. Redresser : les diodes suppriment ou retournent les alternances négatives. La tension devient toujours positive, mais elle varie encore.
  3. Filtrer : le condensateur lisse la tension, qui devient presque constante (il reste une petite ondulation).
  4. Réguler : un régulateur (ou une diode Zener) supprime l'ondulation restante et donne une tension continue stable, par exemple 5 V.

3. La diode : un sens interdit pour le courant

Une diode est un dipôle qui laisse passer le courant dans un seul sens, appelé sens passant (de l'anode vers la cathode). Dans l'autre sens, le sens bloqué, elle ne laisse pas passer le courant. Sur la diode, un anneau marque la cathode.

Symbole normalisé d'une diode avec ses bornes et le sens du courant Place les noms sur la diode

Expérience simple : une pile, une lampe et une diode en série.

  • Diode dans le sens passant : la lampe brille.
  • Diode retournée (sens bloqué) : la lampe reste éteinte.

Kofi monte une pile, une lampe et une diode en série. La lampe ne s'allume pas, alors que tout est en bon état. Que doit-il faire ?

  1. Ajouter une deuxième lampe.
  2. Retirer la pile.
  3. Retourner la diode pour la mettre dans le sens passant.
La diode est montée dans le sens bloqué : en la retournant, le courant peut circuler de l'anode vers la cathode et la lampe brille.

4. Redresser la tension

a) Redressement simple alternance (une diode)

Une seule diode placée en série avec l'appareil laisse passer les alternances positives et bloque les alternances négatives. La tension obtenue est toujours positive ou nulle, mais il y a un « trou » une demi-période sur deux.

Fais varier \(U_{max}\) et compare la tension alternative (première courbe) avec la tension redressée par une diode (seconde courbe). Le temps est en millisecondes.

b) Redressement double alternance (pont de diodes)

Le pont de diodes (ou pont de Graetz) assemble quatre diodes. Pendant chaque alternance, deux diodes conduisent et deux sont bloquées, de sorte que le courant traverse l'appareil toujours dans le même sens. Les alternances négatives sont retournées : il n'y a plus de trou.

Pont de quatre diodes et chemin du courant pendant chaque alternance A B + − D1 D2 D4 D3 D1 et D3 D2 et D4 appareil entre + et −

Alternance positive (A est à la tension la plus haute) : le courant passe par D1, ressort par la borne +, traverse l'appareil, revient par la borne − et D3.

Alternance négative (B est à la tension la plus haute) : ce sont D2 et D4 qui conduisent, et le courant sort encore par la borne +.

Résultat : quel que soit le signe de la tension entre A et B, le courant traverse l'appareil toujours dans le même sens, de + vers −.

Combien de diodes faut-il pour un pont de diodes (redressement double alternance) ?

  1. 4
  2. 2
  3. 1
Le pont de Graetz comporte quatre diodes, qui conduisent deux par deux selon l'alternance.

5. Filtrer et réguler

Le condensateur, branché en dérivation à la sortie du pont, se charge quand la tension monte, puis se décharge dans l'appareil quand la tension redressée retombe. Les creux sont comblés : la tension devient presque constante, avec une petite ondulation. Plus la capacité du condensateur est grande, plus l'ondulation est faible.

Allure de la tension redressée puis filtrée puis régulée en fonction du temps temps tension filtrée régulée

Après le pont de diodes : une suite de bosses toutes positives, qui retombent à zéro.

Avec le condensateur : la tension ne retombe plus à zéro, il ne reste qu'une petite ondulation en dents de scie.

Avec le régulateur : une droite horizontale, un peu plus basse que les sommets ; c'est une vraie tension continue.

Le régulateur (circuit intégré) ou la diode Zener fixe la tension de sortie à une valeur précise (5 V, 9 V, 12 V…) même si la tension d'entrée ou l'appareil branché change un peu.

Quel composant lisse la tension redressée en se chargeant puis en se déchargeant ?

  1. Le transformateur.
  2. Le condensateur.
  3. La diode.
Le condensateur stocke de l'énergie quand la tension monte et la rend quand elle baisse : il comble les creux.

6. Exemples résolus

Exemple 1 : lire un oscillogramme

Sur l'écran d'un oscilloscope, une tension alternative occupe 4 divisions verticales entre l'axe et le sommet, avec une sensibilité verticale de \(3\) V par division. Un motif complet occupe 4 divisions horizontales, avec un balayage de \(5\) ms par division. Trouve \(U_{max}\), \(T\) et \(f\). Cherche d'abord.

Valeur maximale : \[ U_{max} = 4 \times 3 = 12 \text{ V} \]
Période : \[ T = 4 \times 5 = 20 \text{ ms} = 0{,}02 \text{ s} \]
Fréquence : \[ f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0{,}02} = 50 \text{ Hz} \]
C'est la fréquence du secteur, abaissée à \(12\) V par un transformateur.

Exemple 2 : reconnaître les étapes

Aminata, à Bamako, démonte un vieil adaptateur de radio. Elle trouve un transformateur, quatre diodes disposées en losange, un gros condensateur et un petit composant à trois pattes marqué « 7805 ». À quoi sert chaque élément ? Cherche d'abord.

Voir la solution
  • Le transformateur abaisse la tension alternative du secteur.
  • Les quatre diodes en losange forment un pont de diodes : redressement double alternance.
  • Le gros condensateur filtre (lisse) la tension redressée.
  • Le composant à trois pattes est un régulateur : la référence 7805 désigne un régulateur qui donne 5 V continus.

7. Erreurs fréquentes

Dans quel ordre se succèdent les étapes de la conversion ?

  1. Filtrage, abaissement, redressement, régulation.
  2. Redressement, abaissement, régulation, filtrage.
  3. Abaissement, redressement, filtrage, régulation.
On abaisse d'abord la tension (transformateur), puis on la redresse (diodes), on la lisse (condensateur) et enfin on la stabilise (régulateur).

Récapitulatif

  • Le secteur fournit une tension alternative sinusoïdale ; les appareils électroniques ont besoin d'une tension continue faible.
  • Le transformateur abaisse la tension, qui reste alternative.
  • La diode ne laisse passer le courant que dans un sens : une diode donne un redressement simple alternance, un pont de quatre diodes un redressement double alternance.
  • Le condensateur lisse la tension redressée ; le régulateur la rend stable.
Transformateur abaisseur
Diminue la valeur d'une tension alternative ; elle reste alternative.
Diode
Laisse passer le courant dans un seul sens, de l'anode vers la cathode.
Pont de diodes
Quatre diodes : redressement double alternance, les alternances négatives sont retournées.
Condensateur de filtrage
Se charge puis se décharge pour lisser la tension redressée.
Régulateur
Donne une tension continue stable de valeur fixée (par exemple 5 V).
Période et fréquence
\(f = \dfrac{1}{T}\) ; pour le secteur, \(f = 50\) Hz et \(T = 20\) ms.

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