Introduction
Comment transformer une tension alternative en tension continue ? C’est une question fondamentale en électronique, notamment lorsqu’on souhaite réaliser une alimentation pour un montage électronique ou un équipement radioamateur.
La solution la plus simple consiste à utiliser une diode de redressement. Celle-ci ne laisse passer le courant que dans un seul sens, supprimant ainsi une alternance sur deux de la tension sinusoïdale.
Cependant, la tension obtenue n’est pas véritablement continue : elle se présente sous forme d’impulsions successives. Pour améliorer cette situation, on peut ajouter un condensateur de filtrage, chargé de réduire les variations de tension.
Dans cet article, nous allons découvrir le fonctionnement du redressement mono-alternance, comprendre l’influence du condensateur et expérimenter ces phénomènes grâce à un simulateur interactif.
1. Qu’est-ce qu’une tension alternative ?
Une tension alternative sinusoïdale varie périodiquement entre une valeur positive et une valeur négative.
En France, la fréquence du réseau électrique est de 50 Hz. Cela signifie que la tension effectue 50 cycles complets chaque seconde.
Chaque cycle comprend deux parties :
- L’alternance positive : la tension passe de zéro à une valeur positive maximale avant de revenir à zéro.
- L’alternance négative : la tension descend vers une valeur négative maximale avant de revenir à zéro.
La tension instantanée peut s’exprimer par :
![\[u(t)=U_{\mathrm{max}}\sin(2\pi ft)\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-1d4e7aaaa04ee202ada98a4cb945b4e2_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Avec :
- (U_{\mathrm{max}}) : tension maximale ou tension de crête, en volts.
- (f) : fréquence, en hertz.
- (t) : temps, en secondes.
Pour une tension sinusoïdale, la relation entre la tension efficace et la tension maximale est :
![\[U_{\mathrm{max}}=U_{\mathrm{eff}}\sqrt{2}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-c2275030934f04c7bd3824bfc3fe3a3a_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Ainsi, une tension alternative de 12 V efficaces présente une tension de crête d’environ 17 V.
Représentation d’une tension alternative sinusoïdale avec ses alternances positives et négatives.
2. Le principe du redressement mono-alternance
Le redressement mono-alternance est le circuit de redressement le plus simple. Il utilise une seule diode placée en série avec la charge.
Une diode possède deux bornes : l’anode et la cathode.
Lorsqu’elle est polarisée dans le sens passant, elle permet au courant de circuler. Dans le sens inverse, elle bloque normalement le courant.
Dans notre montage :
- Pendant l’alternance positive, la diode devient conductrice et alimente la résistance de charge.
- Pendant l’alternance négative, la diode est bloquée et aucun courant significatif ne circule dans la charge.
La tension obtenue ne comporte donc plus que les alternances positives.
On parle de tension continue pulsée, car sa polarité reste identique, mais son amplitude varie fortement.
La chute de tension dans la diode
Une diode réelle présente une chute de tension lorsqu’elle conduit.
Pour une diode classique au silicium, cette chute est souvent voisine de 0,7 V, bien qu’elle varie selon le courant et la température.
Par exemple, avec une tension alternative de 12 V efficaces :
- Tension de crête : environ 17 V.
- Chute de tension dans la diode : environ 0,7 V.
- Tension de crête disponible en sortie : environ 16,3 V.
Cette valeur correspond au maximum instantané et non à la tension moyenne délivrée par le redresseur.
Schéma du redressement mono-alternance avec la diode et comparaison des formes d’onde avant et après redressement.
3. Pourquoi ajouter un condensateur de filtrage ?
Le principal inconvénient du redressement mono-alternance est que la tension de sortie retombe à zéro entre deux alternances positives lorsque le circuit ne possède aucun condensateur.
Une telle tension convient mal à de nombreux montages électroniques qui nécessitent une alimentation relativement stable.
Pour réduire ces variations, on ajoute un condensateur électrolytique en parallèle sur la résistance de charge.
Ce condensateur joue le rôle de réservoir d’énergie électrique.
Phase de charge
Lorsque la tension redressée augmente et dépasse la tension déjà présente aux bornes du condensateur, augmentée de la chute de tension de la diode, celle-ci devient conductrice.
Le condensateur se charge alors rapidement vers la tension maximale disponible.
Phase de décharge
Lorsque la tension d’entrée diminue, la diode se bloque.
Le condensateur restitue progressivement l’énergie accumulée à la résistance de charge.
La tension ne retombe donc plus immédiatement à zéro : elle diminue progressivement jusqu’à la prochaine alternance positive.
Ce cycle se répète à chaque période.
Plus le condensateur est important, plus il peut emmagasiner de charge électrique pour une même tension et plus la décharge est lente à résistance identique.
Comparaison de la tension de sortie sans condensateur, avec un petit condensateur et avec un condensateur de grande capacité.
4. Comprendre l’ondulation résiduelle
Même avec un condensateur, la tension de sortie n’est pas parfaitement constante.
Elle présente une variation périodique appelée ondulation résiduelle, ou ripple en anglais.
Cette ondulation correspond à la différence entre la tension maximale et la tension minimale pendant un cycle stabilisé.
On la note généralement :
![\[\Delta U=U_{\mathrm{max}}-U_{\mathrm{min}}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-ed91f36d5d517dbd7f3d7bcc642f7568_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Pour un redresseur mono-alternance avec condensateur, une approximation courante est :
![\[\Delta U\approx\frac{I}{fC}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-39902b086f9fc15fa64c08ab95eccd11_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Avec :
- (\Delta U) : ondulation crête à crête, en volts.
- (I) : courant moyen consommé par la charge, en ampères.
- (f) : fréquence du réseau alternatif, en hertz.
- (C) : capacité du condensateur, en farads.
Cette formule est surtout valable lorsque l’ondulation reste relativement faible et que les impulsions de recharge sont courtes.
Exemple pratique
Prenons un redresseur alimenté en 12 V alternatifs à 50 Hz, avec une consommation approximative de 100 mA.
Avec un condensateur de 1 000 µF :
![\[\Delta U\approx\frac{0,1}{50\times0,001}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-c2e6e89e0fdd215942df414978def515_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Soit :
![\[\boxed{\Delta U\approx2\ \mathrm{V}}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-138c236317da2e0185c756584430f4d4_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Si nous doublons la capacité à 2 000 µF, l’ondulation théorique descend approximativement à 1 V.
Nous constatons ainsi qu’augmenter la capacité du condensateur réduit l’ondulation résiduelle.
Attention toutefois : une capacité plus élevée provoque également des courants de recharge plus importants et peut augmenter les contraintes sur la diode et le transformateur.
5. L’influence de la résistance de charge
Le condensateur n’est pas le seul élément qui influence le filtrage.
La résistance de charge joue également un rôle important.
Lorsque la résistance diminue, le courant consommé augmente. Le condensateur se décharge donc plus rapidement entre deux alternances.
À l’inverse, une résistance élevée correspond à une consommation plus faible et à une décharge plus lente.
Ce phénomène est caractérisé par la constante de temps :
![\[\tau=RC\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-30b1dc4b6041ee2f238196fe9a2e8cd8_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Avec :
- (R) : résistance, en ohms.
- (C) : capacité, en farads.
- (\tau) : constante de temps, en secondes.
Par exemple, avec une résistance de 1 000 Ω et un condensateur de 1 000 µF :
![\[\tau=1000\times0,001=1\ \mathrm{s}\]](https://www.f5kee.fr/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-caae086f12caa543337937f3cf346c64_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
La constante de temps vaut donc une seconde.
Dans une décharge RC idéale sans recharge, au bout d’une constante de temps, la tension du condensateur atteint environ 37 % de sa valeur initiale.
Dans notre redresseur, le condensateur est normalement rechargé à chaque alternance positive, bien avant cette durée.
6. Simulateur interactif : expérimentez le redressement mono-alternance
Pour mieux comprendre ces phénomènes, nous vous proposons un simulateur permettant de visualiser le redressement mono-alternance et l’influence du condensateur de filtrage.
Contrairement à un schéma statique, cette simulation permet d’observer l’évolution des tensions en fonction des paramètres choisis.
Les réglages disponibles
Tension d’entrée
Modifiez la tension alternative appliquée au redresseur pour observer son influence sur la tension de sortie.
Fréquence
Sélectionnez la fréquence du signal alternatif. Plus la fréquence augmente, plus les recharges du condensateur sont rapprochées.
Capacité du condensateur
C’est le réglage principal de notre expérience.
Choisissez une capacité nulle pour observer le redressement sans filtrage, puis augmentez progressivement la valeur pour visualiser la diminution de l’ondulation.
Résistance de charge
Modifiez la résistance pour simuler une consommation électrique plus ou moins importante.
Une faible résistance entraîne une décharge plus rapide du condensateur.
Comprendre les courbes
Le simulateur affiche trois informations essentielles :
- La tension alternative d’entrée, avant redressement.
- La tension redressée sans condensateur.
- La tension filtrée après ajout du condensateur.
Il permet également d’observer des grandeurs telles que la tension moyenne, l’ondulation résiduelle et la constante de temps RC.
Les courbes représentent un modèle pédagogique simplifié, utile pour comprendre les principes sans reproduire tous les phénomènes d’un circuit réel.
7. Trois expériences à réaliser avec le simulateur
Expérience 1 — Observer le redressement sans condensateur
Réglez les paramètres suivants :
- Tension d’entrée : 12 V efficaces.
- Fréquence : 50 Hz.
- Condensateur : 0 µF.
- Résistance : 1 000 Ω.
Observez la tension de sortie.
Vous constatez que les alternances négatives ont disparu et que la tension retombe à zéro entre deux alternances positives.
Expérience 2 — Ajouter un condensateur
Conservez les mêmes réglages, mais choisissez successivement :
- 100 µF.
- 470 µF.
- 1 000 µF.
- 2 200 µF.
Observez comment la tension de sortie devient progressivement plus régulière.
La tension minimale augmente et l’ondulation diminue.
Expérience 3 — Modifier la consommation
Choisissez maintenant :
- Tension d’entrée : 12 V efficaces.
- Fréquence : 50 Hz.
- Condensateur : 1 000 µF.
Faites varier la résistance entre 100 Ω et 5 000 Ω.
Avec une résistance faible, le condensateur se décharge rapidement.
Avec une résistance élevée, la tension reste beaucoup plus stable.
Cette expérience montre pourquoi le dimensionnement du condensateur doit tenir compte du courant consommé par le circuit alimenté.
8. Les limites du redressement mono-alternance
Malgré sa simplicité, le redressement mono-alternance présente plusieurs inconvénients.
Tout d’abord, il n’utilise qu’une seule alternance sur deux. La fréquence de l’ondulation est donc identique à celle de la tension d’entrée : 50 Hz pour un réseau à 50 Hz.
Le filtrage nécessite alors un condensateur relativement important pour obtenir une tension stable lorsque la consommation augmente.
De plus, le courant prélevé sur la source est asymétrique, ce qui peut être problématique avec certains transformateurs.
Enfin, le condensateur ne constitue pas un véritable régulateur de tension. La tension de sortie reste dépendante de la tension d’entrée et du courant consommé.
Pour les alimentations électroniques plus performantes, on utilise généralement un redressement double alternance, souvent réalisé avec un pont de quatre diodes appelé pont de Graetz.
Dans ce cas, les deux alternances sont exploitées et la fréquence de l’ondulation après redressement est doublée.
Le filtrage devient donc plus efficace à capacité et consommation comparables.
9. Quelques précautions pour les montages réels
Si vous souhaitez reproduire ce circuit, utilisez exclusivement une source alternative basse tension et isolée du secteur, par exemple la sortie d’un transformateur de sécurité adapté.
Ne raccordez jamais directement ce montage pédagogique au réseau 230 V.
Choisissez une diode dont le courant admissible et la tension inverse maximale conviennent au montage.
Le condensateur doit posséder une tension nominale supérieure à la tension maximale qu’il risque de recevoir. Respectez impérativement sa polarité lorsqu’il s’agit d’un condensateur électrolytique polarisé.
N’oubliez pas qu’un condensateur peut rester chargé après la coupure de l’alimentation.
Conclusion
Le redressement mono-alternance constitue une excellente introduction au fonctionnement des alimentations électroniques.
Avec une simple diode, nous pouvons transformer une tension alternative en tension unidirectionnelle pulsée. L’ajout d’un condensateur permet ensuite de réduire les variations de tension en stockant temporairement de l’énergie.
Grâce au simulateur interactif, il devient possible de comprendre visuellement trois notions fondamentales : le redressement, le filtrage et l’influence de la charge.
Ces connaissances constituent une base essentielle pour aborder des montages plus évolués, notamment les alimentations stabilisées, les ponts redresseurs et les circuits de régulation utilisés dans les équipements électroniques et radioamateurs.
