Redressement monophasé

Le redressement convertit une source de tension CA sinusoïdale oscillante en une alimentation de tension CC à courant constant grâce à des diodes, thyristors, transistors ou convertisseurs. Ce processus de redressement peut prendre différentes formes, avec des redresseurs à demi-onde, à onde complète, non contrôlés et entièrement contrôlés transformant une alimentation monophasée ou triphasée en un niveau CC constant. Dans ce didacticiel, nous examinerons le redressement monophasé et toutes ses formes.

Les redresseurs sont l’un des blocs de construction fondamentaux de la conversion de l’alimentation en CA, le redressement à demi-onde ou à onde complète étant généralement effectué par des diodes à semi-conducteurs. Les diodes permettent aux courants alternatifs de passer dans leur direction avant tout en bloquant le flux de courant dans la direction inverse, créant ainsi un niveau de tension CC fixe, les rendant idéales pour le redressement.

Cependant, le courant continu qui a été redressé par des diodes n’est pas aussi pur que celui obtenu, par exemple, à partir d’une source de batterie, mais présente des variations de tension sous forme d’ondulations superposées en raison de l’alimentation alternative.

Mais pour que le redressement monophasé ait lieu, nous avons besoin d’une forme d’onde sinusoïdale CA d’une tension et d’une fréquence fixes comme montré.

Forme d’Onde Sinusoïdale CA

Les formes d’onde CA ont généralement deux valeurs associées. La première valeur exprime le degré de rotation de la forme d’onde le long de l’axe des x par lequel l’alternateur a tourné de 0 à 360^o. Cette valeur est connue sous le nom de période (T), qui est définie comme l’intervalle nécessaire pour compléter un cycle complet de la forme d’onde.

Les périodes sont mesurées en unités de degrés, de temps ou de radians. La relation entre la période (T) d’une onde sinusoïdale et sa fréquence (ƒ) est définie comme étant : T = 1/ƒ.

La seconde valeur indique l’amplitude de la valeur, soit le courant soit la tension, le long de l’axe des y. Ce chiffre donne la valeur instantanée de zéro à une certaine valeur maximale (A_MAX, V_MAX ou I_MAX) indiquant la plus grande amplitude de l’onde sinusoïdale avant de revenir à zéro. Pour une forme d’onde sinusoïdale, il y a deux valeurs maximales ou de crête, une pour les demi-cycles positifs et une pour les demi-cycles négatifs.

Mais en plus de ces deux valeurs, deux autres sont d’un intérêt pour le redressement. L’une est la valeur moyenne de la forme d’onde et l’autre est sa valeur efficace (RMS). La valeur moyenne d’une forme d’onde est obtenue en ajoutant les valeurs instantanées de la tension (ou du courant) sur un demi-cycle et se trouve être : 0.6365*V_P.

Notez que la valeur moyenne sur un cycle complet d’une onde sinusoïdale symétrique sera zéro, car la demi-onde positive moyenne est annulée par la demi-onde négative moyenne opposée. C’est-à-dire +1 + (-1) = 0.

La valeur efficace ou la valeur de la racine carrée moyenne d’une sinusoïde (une sinusoïde est un autre nom pour une onde sinusoïdale) fournit la même quantité d’énergie à une résistance qu’une alimentation CC de la même valeur. La valeur de la racine carrée moyenne (rms) d’une tension (ou courant) sinusoïdal est définie comme : 0.7071*V_P.

Redresseur Monophasé

Tous les redresseurs monophasés utilisent des dispositifs à état solide comme leur principal dispositif de conversion CA en CC. Les redresseurs monophasés non contrôlés à demi-onde sont les circuits de redressement les plus simples et éventuellement les plus largement utilisés pour de faibles niveaux de puissance, car leur sortie est fortement affectée par la réactance de la charge connectée.

Pour les circuits de redresseurs non contrôlés, les diodes à semi-conducteurs sont les dispositifs les plus couramment utilisés et sont arrangées de telle manière qu’elles créent soit un circuit de redressement à demi-onde soit un circuit à onde complète. L’avantage d’utiliser des diodes comme dispositif de redressement est qu’elles sont par conception des dispositifs unidirectionnels possédant une jonction pn unidirectionnelle intégrée.

Cette jonction pn convertit l’alimentation alternative bi-directionnelle en un courant unidirectionnel en éliminant une moitié de l’alimentation. Selon la connexion de la diode, celle-ci pourrait par exemple laisser passer la moitié positive de la forme d’onde CA lorsqu’elle est polarisée en direct, tout en éliminant la moitié négative lorsque la diode est polarisée en inverse.

Le contraire est également vrai en éliminant la moitié positive de la forme d’onde et en laissant passer la moitié négative. Dans tous les cas, la sortie d’un redresseur à diode simple ne consiste qu’à une seule moitié des 360^o de la forme d’onde comme montré.

Redressement à Demi-Ondes

La configuration du redresseur monophasé à demi-onde ci-dessus laisse passer la moitié positive de la forme d’onde de l’alimentation CA tandis que la moitié négative est éliminée. En inversant la direction de la diode, nous pouvons laisser passer les moitiés négatives et éliminer les moitiés positives de la forme d’onde CA. Par conséquent, la sortie sera une série de pulsations positives ou négatives.

Ainsi, aucune tension ni courant n’est appliqué à la charge connectée, R_L, pendant la moitié de chaque cycle. Autrement dit, la tension aux bornes de la résistance de charge, R_L, consiste uniquement en des formes d’onde à moitié, soit positive soit négative, car elle fonctionne seulement pendant une moitié du cycle d’entrée, d’où le nom de redresseur à demi-onde.

Nous pouvons voir que la diode permet au courant de circuler dans une seule direction, produisant une sortie qui consiste en des demi-cycles. Cette forme d’onde de sortie pulsée varie non seulement de ON à OFF à chaque cycle, mais est présente seulement 50% du temps ; avec une charge purement résistive, ce contenu d’ondulation de tension et de courant est à son maximum.

Ce CC pulsé signifie que la valeur CC équivalente chutée à travers la résistance de charge, R_L, est donc seulement la moitié de la valeur de la forme d’onde sinusoïdale. Comme la valeur maximale de la fonction sinus de la forme d’onde est 1 (sin(90^o)), la valeur moyenne ou la valeur CC prise sur une moitié d’un sinus est définie comme : 0.637 x valeur d’amplitude maximale.

Alors, pendant la demi-onde positive, A_AVE est égal à 0.637*A_MAX. Cependant, comme les demi-cycles négatifs sont éliminés à cause du redressement par la diode polarised inverse, la valeur moyenne de la forme d’onde pendant ce demi-cycle négatif sera zéro comme montré.

Valeur Moyenne des Sinusoïdes

Donc, pour un redresseur à demi-onde, 50% du temps, il existe une valeur moyenne de 0.637*A_MAX et 50% du temps, il y a zéro. Si l’amplitude maximale est 1, la valeur moyenne ou la valeur CC équivalente vue à travers la résistance de charge, R_L, sera :

Ainsi, les expressions correspondantes pour la valeur moyenne de la tension ou du courant pour un redresseur à demi-onde avec CC pulsé sont données par :

V_AVE = 0.318*V_MAX

I_AVE = 0.318*I_MAX

Notez que la valeur maximale, A_MAX, est celle de la forme d’onde d’entrée, mais nous pourrions également utiliser sa valeur efficace, ou valeur « racine carrée moyenne » pour trouver la valeur de sortie CC équivalente d’un redresseur monophasé à demi-onde.

Pour déterminer la tension moyenne pour un redresseur à demi-onde, nous multiplions la valeur efficace par 0.9 (facteur de forme) et divisons le produit par 2, soit en le multipliant par 0.45 donnant :

V_AVE = 0.45*V_RMS

I_AVE = 0.45*I_RMS

Nous pouvons voir qu’un circuit de redressement à demi-onde convertit soit les moitiés positives soit négatives d’une forme d’onde CA, selon la direction des diodes, en une sortie CC pulsée qui a une valeur équivalente de 0.318*A_MAX ou 0.45*A_RMS comme montré.

Tension Moyenne du Redresseur à Demi-Ondes

Exemple de Redressement No1

Un redresseur à demi-onde monophasé est connecté à une alimentation CA de 50V RMS et 50Hz. Si le redresseur est utilisé pour alimenter une charge résistive de 150 Ohms. Calculez la tension CC équivalente développée à travers la charge, le courant de charge et la puissance dissipée par la charge. Supposons des caractéristiques idéales des diodes.

Nous devons d’abord convertir les 50 volts RMS à sa tension de crête ou de valeur maximale équivalente (ce n’est pas nécessaire mais cela aide).

a) Amplitude de Tension Maximale, V_M

V_M = 1.414*V_RMS = 1.414*50 = 70.7 volts

b) Tension CC Équivalente, V_DC

V_DC = 0.318*V_M = 0.318*70.7 = 22.5 volts

c) Courant de Charge, I_L

I_L = V_DC ÷ R_L = 22.5/150 = 0.15A ou 150mA

d) Puissance Dissipée par la Charge, P_L

P_L = V*I ou I²*R_L = 22.5*0.15 = 3.375W ≅ 3.4W

Dans la pratique, V_DC serait légèrement inférieur en raison de la perte de tension de 0.7 volt à travers la diode redresseuse polarisée en direct.

L’un des principaux inconvénients d’un redresseur à demi-onde monophasé est qu’il n’y a pas de sortie pendant la moitié de la forme d’onde sinusoïdale d’entrée disponible, entraînant une faible valeur moyenne comme nous l’avons vu. L’une des façons de surmonter cela est d’utiliser plus de diodes pour produire un redresseur à onde complète.

Redressement à Onde Complète

Contrairement au précédent redresseur à demi-onde, le redresseur à onde complète utilise les deux moitiés de la forme d’onde sinusoïdale d’entrée pour fournir une sortie unidirectionnelle. Cela est dû au fait que le redresseur à onde complète consiste essentiellement en deux redresseurs à demi-onde connectés ensemble pour alimenter la charge.

Le redresseur monophasé à onde complète le fait en utilisant quatre diodes disposées en configuration de pont, laissant passer la moitié positive de la forme d’onde comme auparavant, mais inversant la moitié négative de l’onde sinusoïdale pour créer une sortie CC pulsée.

Bien que la tension et le courant de sortie du redresseur soient pulsés, ils ne changent pas de direction, utilisant ainsi 100% de la forme d’onde d’entrée et offrant également un redressement à onde complète.

Redresseur à Pont Monophasé à Onde Complète

Cette configuration en pont de diodes fournit un redressement à onde complète car, à tout moment, deux des quatre diodes sont polarisées en direct tandis que les deux autres sont polarisées en inverse. Ainsi, il y a deux diodes dans le chemin de conduction au lieu d’une seule pour le redresseur à demi-onde.

Par conséquent, il y aura une différence d’amplitude de tension entre V_IN et V_OUT en raison des chutes de tension à travers les diodes connectées en série. Ici, comme précédemment, nous allons supposer, pour la simplicité des calculs, que nous avons des diodes idéales.

Alors, comment fonctionne le redresseur monophasé à onde complète. Pendant la demi-onde positive de V_IN, les diodes D₁ et D₄ sont polarisées en direct tandis que les diodes D₂ et D₃ sont polarisées en inverse.

Ensuite, pour la demi-onde positive de la forme d’onde d’entrée, le courant circule le long du chemin : D₁ – A – R_L – B – D₄ et revient à l’alimentation.

Durant la demi-onde négative de V_IN, les diodes D₃ et D₂ sont polarisées en direct tandis que les diodes D₄ et D₁ sont polarisées en inverse.

Pour la demi-onde négative de la forme d’onde d’entrée, le courant circule le long du chemin : D₃ – A – R_L – B – D₂ et revient à l’alimentation.

Dans les deux cas, les demi-cycles positifs et négatifs de la forme d’onde d’entrée produisent des pics de sortie positifs, quel que soit la polarité de la forme d’onde d’entrée, et par conséquent, le courant de charge, i, circule toujours dans la MÊME direction à travers la charge, R_L, entre les points ou nœuds A et B. Ainsi, le demi-cycle négatif de la source devient un demi-cycle positif à la charge.

Donc, quel que soit l’ensemble de diodes qui sont en conduction, le nœud A est toujours plus positif que le nœud B. Par conséquent, le courant de charge et la tension sont unidirectionnels ou CC, nous donnant ainsi la forme d’onde de sortie suivante.

Forme d’Onde de Sortie du Redresseur à Onde Complète

Bien que cette forme d’onde de sortie pulsée utilise 100% de la forme d’onde d’entrée, sa tension CC moyenne (ou courant) n’est pas à la même valeur. Nous nous rappelons ci-dessus que la valeur moyenne ou moyenne CC prise sur une demi-sinusoïde est définie comme : 0.637 x valeur d’amplitude maximale.

Cependant, contrairement au redressement à demi-onde ci-dessus, les redresseurs à onde complète ont deux demi-cycles positifs par forme d’onde d’entrée, ce qui nous donne une valeur moyenne différente comme montré.

Valeur Moyenne du Redresseur à Onde Complète

Ici, nous pouvons voir que pour un redresseur à onde complète, pour chaque pic positif, il y a une valeur moyenne de 0.637*A_MAX et comme il y a deux pics par forme d’onde d’entrée, cela signifie qu’il y a deux fois la valeur moyenne additionnée.

Ainsi, la tension de sortie CC d’un redresseur à onde complète est le double de celle du précédent redresseur à demi-onde. Si l’amplitude maximale est 1, la valeur moyenne ou la valeur CC équivalente vue à travers la résistance de charge, R_L, sera :

Ainsi, les expressions correspondantes pour la valeur moyenne de la tension ou du courant pour un redresseur à onde complète sont données par :

V_AVE = 0.637*V_MAX

I_AVE = 0.637*I_MAX

Comme précédemment, la valeur maximale, A_MAX, est celle de la forme d’onde d’entrée, mais nous pourrions également utiliser sa valeur efficace, ou valeur de racine carrée moyenne pour trouver la valeur de sortie CC équivalente d’un redresseur monophasé à onde complète. Pour déterminer la tension moyenne pour un redresseur à onde complète, nous multiplions la valeur efficace par 0.9, donnant :

V_AVE = 0.9*V_RMS

I_AVE = 0.9*I_RMS

Ensuite, nous pouvons voir qu’un circuit de redressement à onde complète convertit À LA FOIS les moitiés positives ou négatives d’une forme d’onde CA en une sortie CC pulsée qui a une valeur de 0.637*A_MAX ou 0.9*A_RMS comme montré.

Tension Moyenne du Redresseur à Onde Complète

Exemple de Redressement No2

Quatre diodes sont utilisées pour construire un circuit de redresseur à pont monophasé à onde complète qui doit alimenter une charge purement résistive de 1kΩ à 220 volts CC. Calculez la valeur RMS de la tension d’entrée requise, le courant total de charge tiré de l’alimentation, le courant de charge passé par chaque diode et la puissance totale dissipée par la charge. Supposons des caractéristiques idéales des diodes.

a) Tension d’Alimentation du Redresseur, V_RMS

V_DC = 0.9*V_RMS  donc: V_RMS = V_DC ÷ 0.9 = 220/0.9 = 244.4 V_RMS

b) Courant de Charge, I_L

I_L = V_DC ÷ R_L = 220/1000 = 0.22A ou 220mA

c) Courant de Charge Passé par Chaque Diode, I_D

Le courant de charge est fourni par deux diodes par cycle, donc :

I_D = I_L ÷ 2 = 0.22/2 = 0.11A ou 110mA

d) Puissance Dissipée par la Charge, P_L

P_L = V*I ou I²*R_L = 220*0.22 = 48.4W

Redresseur à Pont à Onde Complète à Contrôle Partiel

Le redressement à onde complète présente de nombreux avantages par rapport au redresseur à demi-onde plus simple, comme une tension de sortie plus constante, une tension de sortie moyenne plus élevée, la fréquence d’entrée est doublée par le processus de redressement, et nécessite un condensateur de lissage de plus faible valeur si un condensateur est nécessaire. Mais nous pouvons améliorer la conception du redresseur en pont en remplaçant les diodes par des thyristors dans sa conception.

En remplaçant les diodes dans un redresseur à pont monophasé par des thyristors, nous pouvons créer un redresseur CA-CC contrôlé par phase pour convertir la tension constante d’alimentation CA en tension de sortie CC contrôlée. Les redresseurs contrôlés par phase, qu’ils soient partiellement ou totalement contrôlés, ont de nombreuses applications dans les alimentations à tension variable et le contrôle des moteurs.

Le redresseur à pont monophasé est ce que l’on appelle un “redresseur non contrôlé” dans la mesure où la tension d’entrée appliquée est directement transmise aux bornes de sortie, fournissant une valeur CC équivalente moyenne fixe. Pour convertir un redresseur à pont non contrôlé en circuit de redressement monophasé à contrôle partiel, il suffit de remplacer deux des diodes par des thyristors (SCR) comme montré.

Redresseur à Pont Partiellement Contrôlé

Dans la configuration du redresseur partiellement contrôlé, la tension moyenne CC de charge est contrôlée à l’aide de deux thyristors et de deux diodes. Comme nous l’avons appris dans notre didacticiel sur les thyristors, un thyristor ne conduira (“état ON”) que lorsque son anode (A) est plus positive que sa cathode (K) et qu’une impulsion de déclenchement est appliquée à son terminal de grille (G). Sinon, il reste inactif.

Nous avons également appris qu’une fois “ON”, un thyristor n’est éteint qu’une fois que son signal de grille est supprimé et que le courant de l’anode est tombé en dessous du courant de maintien du thyristor, I_H, alors que la tension d’alimentation CA le polarise inverse. Donc, en retardant l’impulsion de déclenchement appliquée au terminal de grille du thyristor pendant une période de temps contrôlée, ou angle (α), après que la tension d’anode à cathode CA ait franchi le passage à zéro, nous pouvons contrôler quand le thyristor commence à conduire le courant et ainsi contrôler la tension de sortie moyenne.

Redresseur à Pont Partiellement Contrôlé

Durant la demi-onde positive de la forme d’onde d’entrée, le courant circule le long du chemin : SCR₁ et D₂, et revient à l’alimentation. Pendant la demi-onde négative de V_IN, la conduction passe par SCR₂ et D₁ et revient à l’alimentation.

Il est donc clair qu’un thyristor du groupe supérieur (SCR₁ ou SCR₂) et sa diode correspondante du groupe inférieur (D₂ ou D₁) doivent conduire ensemble pour qu’un courant de charge quelconque puisse circuler.

Ainsi, la tension de sortie moyenne, V_AVE, dépend de l’angle de déclenchement α pour les deux thyristors inclus dans le redresseur partiellement contrôlé, car les deux diodes sont non contrôlées et passent le courant dès qu’elles sont polarisées en direct. Donc, pour tout angle de déclenchement de grille, α, la tension de sortie moyenne est donnée par :

Tension de Sortie Moyenne du Redresseur Partiellement Contrôlé

Notez que la tension de sortie moyenne maximale se produit lorsque α = 1 mais est toujours seulement 0.637*V_MAX, la même que pour le redresseur à pont monophasé non contrôlé.

Nous pouvons aller encore plus loin dans cette idée de contrôle de la tension de sortie moyenne du pont en remplaçant les quatre diodes par des thyristors, ce qui nous donne un circuit de redresseur à pont entièrement contrôlé.

Redresseur à Pont Entièrement Contrôlé

Les redresseurs à pont monophasé entièrement contrôlés sont plus couramment connus comme des convertisseurs CA-CC. Les convertisseurs entièrement contrôlés à pont sont largement utilisés dans le contrôle de la vitesse des machines CC et peuvent être facilement obtenus en remplaçant les quatre diodes d’un redresseur à pont par des thyristors comme montré.

Redresseur à Pont Entièrement Contrôlé

Dans la configuration du redresseur entièrement contrôlé, la tension moyenne CC de charge est contrôlée à l’aide de deux thyristors par demi-cycle. Les thyristors SCR₁ et SCR₄ sont déclenchés ensemble en tant que paire durant la demi-onde positive, tandis que les thyristors SCR₃ et SCR₄ sont également déclenchés ensemble comme paire durant la demi-onde négative. C’est-à-dire 180^o après SCR₁ et SCR₄.

Ensuite, durant le mode de conduction continue, les quatre thyristors sont constamment commutés comme des paires alternées pour maintenir la tension de sortie équivalente ou moyenne CC. Comme avec le redresseur partiellement contrôlé, la tension de sortie peut être entièrement contrôlée en variant l’angle de retard de déclenchement des thyristors (α).

Ainsi, l’expression pour la tension moyenne CC d’un redresseur monophasé entièrement contrôlé en mode de conduction continue est donnée par :

Tension de Sortie Moyenne du Redresseur Entièrement Contrôlé

avec la tension de sortie moyenne variant de V_MAX/π à -V_MAX/π en faisant varier l’angle de déclenchement, α, de π à 0 respectivement. Donc lorsque α < 90^o, la tension CC moyenne est positive et lorsque α > 90^o, la tension CC moyenne est négative. C’est-à-dire que la puissance circule de la charge CC vers l’alimentation CA.

Enfin, nous avons vu ici dans ce tutoriel sur le redressement monophasé que les redresseurs monophasés peuvent prendre de nombreuses formes pour convertir la tension CA en tension CC, allant des redresseurs non contrôlés à diode simple des redresseurs à demi-onde aux redresseurs à pont entièrement contrôlés utilisant quatre thyristors.

Les avantages du redresseur à demi-onde sont sa simplicité et son faible coût, car il nécessite seulement une diode. Toutefois, il n’est pas très efficace car seule la moitié du signal d’entrée est utilisée, produisant une faible tension de sortie moyenne.

Le redresseur à onde complète est plus efficace que le redresseur à demi-onde, car il utilise les deux demi-cycles de l’onde sinusoïdale d’entrée, produisant une tension de sortie CC moyenne ou équivalente plus élevée. Un inconvénient du circuit à pont à onde complète est qu’il nécessite quatre diodes.

Le redressement contrôlé par phase utilise des combinaisons de diodes et de thyristors (SCR) pour convertir la tension d’entrée CA en une tension de sortie CC contrôlée. Les redresseurs entièrement contrôlés utilisent quatre thyristors dans leur configuration, tandis que les redresseurs partiellement contrôlés utilisent une combinaison de thyristors et de diodes.

Quoi qu’il en soit, la conversion d’une forme d’onde CA sinusoïdale en une alimentation CC à état stable est appelée redressement.