Fonction Alimenter – Convertir tension AC en tension DC

1) Objet du cours

Transformer une tension AC basse tension isolée (secondaire de transfo) en une tension DC régulée, propre (ripple limité) et sûre pour alimenter capteurs, µC et actionneurs.

Chaîne type : Transfo d’isolement → Redresseur (1 diode / double alternance / pont) → Filtrage \(C\) → Régulation (linéaire ou buck) → Protections → Charge.
⚠️ Secteur = danger mortel. Toujours utiliser un transformateur ou un module SMPS certifié, fusible côté primaire, MOV, terre (châssis métal), distances d’isolement respectées.

2) Principes & relations rapides

  • \(V_\text{p}=\sqrt{2}\,V_\text{ac,rms}\) (sinus).
  • Pont de diodes : deux diodes en conduction ⇒ chute \(\approx 2V_D\) (Si \(\sim0{,}7\) V / Schottky \(\sim0{,}3\) V).
  • Fréquence d’ondulation : \(f_r=f\) (demi-onde) ; \(f_r=2f\) (pont ou double alternance).
  • Avec condensateur : \(V_\text{dc}\approx V_\text{p}-nV_D-\dfrac{V_r}{2}\) avec \(n=1\) (demi-onde) ou \(2\) (pont/DA).
  • Ripple (approx.) : \(V_r\approx\dfrac{I_\text{charge}}{f_r\,C}\) (demi-onde) ; \(V_r\approx\dfrac{I_\text{charge}}{2f\,C}\) (pont).
Plus \(C\) est grand, plus \(V_r\) diminue… mais le courant d’appel (inrush) augmente à la mise sous tension.

3) Topologies de redressement (comparatif)

Demi-onde (1 diode) Double alternance (centre-tap) Pont (4 diodes) Coût très bas, ripple élevé, \(f_r=f\), \(V_\text{dc}\) faible Besoin secondaire centre-tap, \(f_r=2f\), 2 diodes en alternance Pas de centre-tap, \(f_r=2f\), chute \(2V_D\), solution la plus courante
Choix guidé par la disponibilité du transfo, le ripple visé et la chute de tension.
TopoFréquence rippleChutesComplexitéUsage typique
1 diode\(f\)\(1\cdot V_D\)Très faiblePetites charges, pédagogie
Double alternance (centre-tap)\(2f\)\(1\cdot V_D\)Moyenne (transfo CT)Anciens montages
Pont (4 diodes)\(2f\)\(2\cdot V_D\)Faible (transfo simple)Standard moderne

4) Chaîne AC→DC animée

Transfo isolé Pont de diodes Condensateur C Régulation Charge C se charge à la crête et se décharge entre crêtes ⇒ ondulation \(V_r\).
Révèle les blocs pas à pas pour commenter.

5) Dimensionner : transfo, diodes, condensateur, régulation

\(V_p=\sqrt{2}V_\text{ac}\) \(C_\text{min}\) (µF) \(V_\text{dc}\) estimé IF diode (A) VRRM (PIV) min (V) VA transfo (min)
——————
  • \(C_\text{min}\approx\dfrac{I}{f_r V_r}\) où \(f_r=2f\) (pont), \(f_r=f\) (demi-onde).
  • VRRM (PIV) ≈ \(V_p\) (pont) → choisir marge ×2 (ex. 100 V pour 21 V crête).
  • VA transfo \(\approx \dfrac{V_\text{dc}\cdot I}{\eta_\text{redresseur}}\) (prendre \(\eta\sim0{,}7\)–0,8 + marge 20 %).
  • Ponte : pertes ≈ \(2V_D\cdot I_\text{moy}\). Linéaire : \(P_\text{perdue}=(V_\text{dc}-V_\text{out})I\).

6) Protections, inrush & bonnes pratiques

  • Fusible primaire (retard si gros \(C\)).
  • MOV (varistance) contre surtensions secteur ; NTC série pour limiter l’inrush.
  • Bleeder : résistance en // de \(C\) (décharge sécurisée).
  • Snubber RC (pont ou secondaire) si cliquetis/overshoot.
  • TVS en DC si la charge est sensible.
  • Thermique : vérifier \(T_j\). Radiateur si \(P_\text{perdue}\) élevé.
Pour \(C\ge 4700\,\mu\text{F}\) et \(V_\text{dc}\gt 12\,\text{V}\), une NTC d’inrush est quasi indispensable.

7) Régulation : linéaire vs buck (thermique incluse)

TypeAvantagesLimitesQuand l’utiliser
Linéaire (LDO)Simple, silencieux (peu d’EMI)\(P_\text{perdue}=(V_\text{dc}-V_\text{out})I\)Petit écart \(V\), faible \(I\)
Buck (à découpage)Haut rendementEMI/filtrage, layout plus exigeantGrand écart \(V\) ou courant élevé

Thermique linéaire : \(P=(V_\text{dc}-V_o)I\). Exigence radiateur : \(R_{\theta,\text{req}} \le \dfrac{T_{j,\max}-T_a}{P}-R_{\theta,\text{jc}}-R_{\theta,\text{cs}}\).

8) Mesures & CEM

  • Ripple : oscillo bande 20 MHz, sonde ×10, clip ground court, mode AC ; exprimer en mVpp.
  • Courant : shunt basse valeur ou pince Hall.
  • CEM : boucles courtes, masse en étoile, C de découplage près des diodes/régulateurs, pistes d’impulsion compactes.

9) Exemples chiffrés

Ex 1. \(V_\text{ac}=12\) V–rms, \(f=50\) Hz, pont, \(I=0{,}5\) A, \(V_D=0{,}7\) V, \(V_r=0{,}5\) V.

  • \(V_p=16{,}97\) V ; \(f_r=100\) Hz ; \(C_\text{min}=I/(f_rV_r)=0{,}01\) F = 10 000 µF.
  • \(V_\text{dc}\approx 16{,}97-1{,}4-0{,}25\approx 15{,}3\) V.
  • VRRM min ≈ \(V_p\) ⇒ choisir \(100\) V. IF ≥ 0,5 A (prévoir 1–2 A).
  • VA transfo ≈ \(V_\text{dc}I/0{,}75\approx 10{,}2\) VA ⇒ prendre 15–20 VA.

Ex 2. Linéaire vers \(5\) V/1 A avec \(V_\text{dc}\approx 12\) V → \(P\approx 7\) W ⇒ radiateur requis ou passer en buck (\(\eta\sim 85–90\%\)).

10) Erreurs fréquentes

  • Sous-dimensionner \(C\) → ripple trop élevé.
  • Oublier l’inrush (NTC/soft-start).
  • VRRM trop juste sur les diodes.
  • Routage avec grandes boucles → bruit/CEM.
  • Confondre \(V_\text{dc}\) sans charge et en charge.

11) Exercices (15) avec solutions

1 — Fréquence d’ondulation

Réseau 60 Hz, pont complet. \(f_r\) ?

\(f_r=2f=120\) Hz.

2 — Capacité minimale

\(I=0{,}3\) A, \(V_r=0{,}3\) Vpp, 50 Hz, pont. \(C_\text{min}\) ?

\(C\approx I/(2fV_r)=0{,}3/(100\cdot0{,}3)=0{,}01\) F = 10 000 µF.

3 — \(V_\text{dc}\) estimé

\(V_\text{ac}=9\) V–rms, \(V_D=0{,}7\) V, \(V_r=0{,}4\) V (pont). \(V_\text{dc}\) ?

\(V_p=12{,}73\) V ; \(V_\text{dc}\approx 12{,}73-1{,}4-0{,}2\approx 11{,}1\) V.

4 — PIV (VRRM)

Secondaire 15 V–rms. VRRM min conseillé (pont) ?

\(V_p=21{,}21\) V ⇒ choisir \(≥50\) V.

5 — VA du transfo

\(V_\text{dc}\approx 14\) V, \(I=0{,}6\) A, \(\eta\) redresseur 0,75. VA min ?

\(\approx 14\cdot0{,}6/0{,}75\approx 11{,}2\) VA → prendre 16–20 VA.

6 — Courant d’appel

Gros \(C\) d’entrée → disjonction au branchement. 2 mesures ?

NTC série / soft-start + résistance de précharge; limiter \(\mathrm{d}I/\mathrm{d}t\).

7 — Linéaire vs buck

Sortie 5 V/2 A depuis \(V_\text{dc}=15\) V. Linéaire : \(P?\) Conclusion ?

\(P=(15-5)\cdot2=20\) W ⇒ radiateur massif, préférer buck.

8 — Thermique régulateur

\(P=7\) W, \(T_a=40^\circ\)C, \(T_{j,\max}=125^\circ\)C, \(R_{\theta,\text{jc}}=5\), \(R_{\theta,\text{cs}}=1\) K/W. \(R_{\theta,\text{req}}\)?

\((125-40)/7-5-1\approx 6{,}9\) K/W.

9 — Choix diodes Schottky

Pourquoi une Schottky réduit la dissipation ?

Chute \(V_D\) plus faible ⇒ pertes \(P\approx 2V_D I\) plus faibles.

10 — Mesure du ripple

Deux erreurs classiques lors de la mesure au scope ?

Fil de masse long (induction) ; mode DC sans limite 20 MHz (lit bruit HF).

11 — Snubber

À quoi sert un snubber RC ?

Écrêter les surtensions transitoires et amortir les oscillations.

12 — Bleeder

Pourquoi ajouter une résistance en // de \(C\) ?

Sécurité : décharge après coupure.

13 — Demi-onde vs pont

Impact sur \(C\) à ripple égal ?

Demi-onde exige \(C\) ≈ 2× plus grand (car \(f_r\) /2).

14 — Routage

Deux règles de layout pour réduire l’EMI ?

Boucles courtes, plans de masse continus, découplage proche.

15 — Sécurité

Deux éléments indispensables côté primaire ?

Fusible temporisé + MOV, et liaison terre si châssis.

12) Récapitulatif

  • Formules clés : \(V_p=\sqrt{2}V_\text{ac}\), \(f_r=2f\) (pont), \(C\approx I/(f_rV_r)\), \(V_\text{dc}\approx V_p-nV_D-\frac{V_r}{2}\).
  • Vérifier VRRM, IF, VA transfo, inrush, thermique, CEM.
  • Choisir linéaire ou buck selon écart \(V\) et \(I\).

Fonction Alimenter – AC→DC — © neobac