Le redresseur à onde complète convertit les deux moitiés de chaque cycle de forme d’onde en un signal DC pulsé à l’aide de quatre diodes de redressement. Dans le précédent tutoriel sur les diodes de puissance, nous avons discuté des moyens de réduire le ripple ou les variations de tension sur une tension DC directe en connectant des condensateurs de lissage à travers la résistance de charge.

Bien que cette méthode soit adaptée aux applications de faible puissance, elle n’est pas convenable pour les applications nécessitant une alimentation DC « stable et lisse ». Une méthode pour améliorer cela consiste à utiliser chaque demi-cycle de la tension d’entrée au lieu de chaque autre demi-cycle. Le circuit qui nous permet de faire cela est appelé redresseur à onde complète.

Comme le circuit à demi-onde, un circuit redresseur à onde complète produit une tension ou un courant de sortie qui est véritablement DC ou qui a un composant DC spécifié. Les redresseurs à onde complète présentent des avantages fondamentaux par rapport à leurs homologues à demi-onde. La tension de sortie moyenne (DC) est plus élevée que celle du redresseur à demi-onde, et la sortie du redresseur à onde complète présente beaucoup moins de ripple que celle du redresseur à demi-onde, produisant ainsi une forme d’onde de sortie plus lisse.

Dans un circuit de redresseur à onde complète, deux diodes sont désormais utilisées, une pour chaque moitié du cycle. Un transformateur à plusieurs enroulements est utilisé, dont l’enroulement secondaire est divisé en deux moitiés égales avec une connexion au centre commune, (C).

Cette configuration permet à chaque diode de conduire à tour de rôle lorsque sa borne anode est positive par rapport au point central du transformateur C, produisant une sortie durant les deux demi-cycles, soit le double de celle d’un redresseur à demi-onde, ce qui en fait un circuit à 100% efficace.

Circuit de Redresseur à Onde Complète

Le circuit du redresseur à onde complète se compose de deux diodes de puissance connectées à une seule résistance de charge (R_L), chaque diode prenant à tour de rôle le courant pour la charge. Lorsque le point A du transformateur est positif par rapport au point C, la diode D₁ conduit dans le sens direct comme l’indiquent les flèches.

Lorsque le point B est positif (dans la moitié négative du cycle) par rapport au point C, la diode D₂ conduit dans le sens direct et le courant traversant la résistance R est dans la même direction pour les deux demi-cycles. Comme la tension de sortie à travers la résistance R est la somme phasor des deux formes d’onde combinées, ce type de circuit de redresseur à onde complète est également connu sous le nom de circuit « bi-phase ».

La sortie du redresseur sans condensateur de lissage.

Forme d’Onde de Sortie de Redresseur à Onde Complète

Alors que les espaces entre chaque demi-onde développée par chaque diode sont désormais remplis par l’autre diode, la tension DC moyenne de sortie à travers la résistance de charge est maintenant le double de celle du circuit de redresseur à demi-onde et est d’environ  0.637V_max  de la tension de crête, en supposant qu’il n’y ait pas de pertes.

Où : V_MAX est la valeur de crête maximale dans une moitié de l’enroulement secondaire et V_RMS est la valeur efficace, soit : V_RMS = 0.7071V_MAX. Le courant DC est donné par : I_DC = V_DC/R.

La tension crête de la forme d’onde de sortie est la même que celle d’un redresseur à demi-onde, à condition que chaque moitié des enroulements du transformateur ait la même valeur efficace. Pour obtenir une tension de sortie DC différente, différents rapports de transformateur peuvent être utilisés.

Le principal inconvénient de ce type de circuit de redresseur à onde complète est qu’un transformateur plus grand est nécessaire pour une certaine puissance de sortie avec deux enroulements secondaires séparés mais identiques, rendant ce type de circuit de redressement à onde complète coûteux par rapport au circuit équivalent « redresseur à pont à onde complète ».

Le Redresseur à Pont à Onde Complète

Un autre type de circuit qui produit la même forme d’onde de sortie que le circuit de redresseur à onde complète ci-dessus est celui du redresseur à pont à onde complète. Ce type de redresseur monophasé utilise quatre diodes de redressement individuelles connectées dans une configuration en « pont » en boucle fermée pour produire la sortie désirée.

Le principal avantage de ce circuit en pont est qu’il ne nécessite pas de transformateur spécial à centre pris, ce qui réduit sa taille et son coût. L’enroulement secondaire unique est connecté d’un côté du réseau de diodes en pont et la charge de l’autre côté comme illustré ci-dessous.

Le Redresseur à Pont avec Diodes

Les quatre diodes étiquetées D₁ à D₄ sont disposées en « paires en série » avec seulement deux diodes conduisant le courant durant chaque demi-cycle. Pendant le demi-cycle positif de l’alimentation, les diodes D1 et D2 conduisent en série tandis que les diodes D3 et D4 sont polarisées en inverse et le courant traverse la charge comme illustré ci-dessous.

Le Demi-cycle Positif

Au cours du demi-cycle négatif de l’alimentation, les diodes D3 et D4 conduisent en série, mais les diodes D1 et D2 s’éteignent car elles sont maintenant polarisées en inverse. La direction du courant traversant la charge reste la même qu’auparavant.

Le Demi-cycle Négatif

Comme le courant traversant la charge est unidirectionnel, la tension développée à travers la charge est également unidirectionnelle, tout comme celle du précédent redresseur à onde complète à deux diodes, et donc la tension DC moyenne à travers la charge est de 0.637V_max.

Redresseur à Pont Typique

Cependant, en réalité, pendant chaque demi-cycle, le courant passe par deux diodes au lieu d’une seule, donc l’amplitude de la tension de sortie est diminuée de deux chutes de tension (2*0.7 = 1.4V) par rapport à l’amplitude d’entrée V_MAX. La fréquence de ripple est maintenant le double de la fréquence de l’alimentation (par exemple 100Hz pour une alimentation de 50Hz ou 120Hz pour une alimentation de 60Hz).

Bien que nous puissions utiliser quatre diodes de puissance individuelles pour fabriquer un redresseur à pont à onde complète, des composants de redresseur à pont préfabriqués sont disponibles « prêts à l’emploi » dans une gamme de différentes tailles de tension et de courant qui peuvent être soudées directement dans un circuit imprimé ou connectées par des connecteurs à fourche.

L’image à droite montre un redresseur à pont monophasé typique avec un coin coupé. Ce coin coupé indique que la borne la plus proche du coin est la borne de sortie positive ou +ve avec la borne opposée (diagonale) étant la borne de sortie négative ou -ve. Les autres deux bornes de connexion sont pour la tension alternative d’entrée provenant d’un enroulement secondaire de transformateur.

Redresseur à Onde Complète avec Condensateur de Lissage

Nous avons vu dans la section précédente que le redresseur à demi-onde monophasé produit une onde de sortie à chaque demi-cycle et qu’il n’était pas pratique d’utiliser ce type de circuit pour produire une alimentation DC stable. Le redresseur à pont à onde complète, cependant, nous donne une plus grande valeur moyenne DC (0.637 Vmax) avec moins de ripple superposé alors que la forme d’onde de sortie est deux fois celle de la fréquence de l’alimentation d’entrée.

Nous pouvons améliorer la sortie DC moyenne du redresseur tout en réduisant en même temps la variation AC de la sortie redressée en utilisant des condensateurs de lissage pour filtrer la forme d’onde de sortie. Des condensateurs de lissage ou de réservoir connectés en parallèle avec la charge sur la sortie du circuit du redresseur à pont à onde complète augmentent encore plus le niveau de sortie DC moyenne, car le condensateur agit comme un dispositif de stockage comme illustré ci-dessous.

Redresseur à Onde Complète avec Condensateur de Lissage

Le condensateur de lissage convertit la sortie ondulée de l’onde complète du redresseur en une tension de sortie DC plus lisse. Nous pouvons voir l’effet qu’il a sur la forme d’onde de sortie redressée avec différentes valeurs de condensateurs de lissage installés.

Utilisation d’un Condensateur de Lissage de 5uF

Le tracé bleu sur la forme d’onde montre le résultat de l’utilisation d’un condensateur de lissage de 5,0uF à la sortie des redresseurs. Auparavant, la tension de charge suivant la forme d’onde de sortie redressée tombait à zéro volts. Ici, le condensateur de 5uF est chargé à la tension de crête du pulse DC de sortie, mais lorsqu’il tombe de sa tension de crête à zéro volts, le condensateur ne peut pas se décharger aussi rapidement en raison de la constante de temps RC du circuit.

Cela entraîne une décharge du condensateur jusqu’à environ 3,6 volts, dans cet exemple, maintenant la tension à travers la résistance de charge jusqu’à ce que le condensateur soit à nouveau rechargé sur la prochaine pente positive du pulse DC. En d’autres termes, le condensateur a juste le temps de se décharger brièvement avant que le prochain pulse DC ne le recharge à nouveau à la valeur de crête.

Ainsi, la tension DC appliquée à la résistance de charge ne diminue que d’une petite quantité. Mais nous pouvons améliorer cela en augmentant la valeur du condensateur de lissage comme montré.

Utilisation d’un Condensateur de Lissage de 50uF

Ici, nous avons multiplié par dix la valeur du condensateur de lissage, passant de 5uF à 50uF, ce qui a réduit le ripple et augmenté la tension de décharge minimale de 3,6 volts à 7,9 volts. Cependant, une résistance de charge de 1kΩ a été choisie pour obtenir ces valeurs, mais à mesure que l’impédance de charge diminue, le courant de charge augmente, ce qui fait que le condensateur se décharge plus rapidement entre les pulses de charge.

L’effet d’une charge lourde avec un seul condensateur de lissage ou de réservoir peut être réduit par l’utilisation d’un condensateur plus grand qui stocke plus d’énergie et se décharge moins entre les pulses de charge. Généralement, pour les circuits d’alimentation DC, le condensateur de lissage est de type électrolytique en aluminium ayant une valeur de capacité de 100uF ou plus, avec des pulses de tension DC répétées du redresseur rechargeant le condensateur à sa tension de crête.

Cependant, il y a deux paramètres importants à prendre en compte lors du choix d’un condensateur de lissage approprié : sa tension de service, qui doit être supérieure à la valeur de sortie à vide du redresseur, et sa valeur de capacité, qui détermine le montant de ripple qui apparaîtra superposé à la tension DC.

Une valeur de capacité trop faible et le condensateur a peu d’effet sur la forme d’onde de sortie. Mais si le condensateur de lissage est suffisamment grand (des condensateurs en parallèle peuvent être utilisés) et le courant de charge n’est pas trop élevé, la tension de sortie sera presque aussi lisse qu’une DC pure. En règle générale, nous cherchons à avoir une tension de ripple inférieure à 100mV crête à crête.

La tension de ripple maximale présente pour un circuit de redresseur à onde complète n’est pas seulement déterminée par la valeur du condensateur de lissage, mais aussi par la fréquence et le courant de charge, et est calculée comme suit :

Tension de Ripple du Redresseur à Pont

Où : I est le courant de charge DC en ampères, ƒ est la fréquence du ripple ou le double de la fréquence d’entrée en Hertz, et C est la capacité en Farads.

Les principaux avantages d’un redresseur à pont à onde complète sont qu’il a une valeur de ripple AC plus petite pour une charge donnée et un condensateur de réservoir ou de lissage plus petit qu’un redresseur à demi-onde équivalent. Par conséquent, la fréquence fondamentale de la tension de ripple est deux fois celle de la fréquence d’alimentation AC (100Hz) alors que pour le redresseur à demi-onde, elle est exactement égale à la fréquence d’alimentation (50Hz).

Le montant de la tension de ripple qui est superposé à la tension d’alimentation DC par les diodes peut être pratiquement éliminé en ajoutant un π-filtre (filtre pi) aux bornes de sortie du redresseur à pont. Ce type de filtre passe-bas est constitué de deux condensateurs de lissage, généralement de la même valeur, et d’une inductance ou d’un choke qui introduit un chemin à haute impédance pour le composant de ripple alternatif.

Une autre alternative plus pratique et moins coûteuse consiste à utiliser un régulateur de tension à 3 broches disponible dans le commerce, comme un LM78xx (où « xx » représente la valeur de tension de sortie) pour une tension de sortie positive ou son équivalent inverse le LM79xx pour une tension de sortie négative, capable de réduire le ripple de plus de 70dB (fiche technique) tout en fournissant un courant de sortie constant de plus de 1 amp.

Dans le prochain tutoriel sur les diodes, nous examinerons la diode Zener qui tire parti de sa caractéristique de tension de rupture inverse pour produire une tension de sortie constante et fixe à travers elle-même.