Redresseur

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Trois redresseurs sous forme de ponts de Graëtz

Un redresseur, également appelé convertisseur alternatif - continu (rectifier en anglais), est un convertisseur destiné à alimenter une charge de type continu, qu'elle soit inductive ou capacitive à partir d'une source alternative. La source est, la plupart du temps, du type tension.

Les redresseurs sont essentiellement réalisés à partir de diodes et de thyristors. Ces derniers ne sont utilisés que s'il est nécessaire de faire varier les grandeurs électriques en sortie du redresseur. Les transistors MOSFET et IGBT peuvent être utilisés dans certains cas spécifiques.

Les redresseurs non commandé sont utilisés pour convertir une grandeur alternative en une grandeur continu. Ils sont par exemple utilisés pour entraîner des moteurs à courant continu. Ils constituent l'étage d'entrée de la quasi totalité des alimentations à découpage qui alimentent l'équipement audio-visuel des ménage.

Les redresseurs commandés à thyristor sont en voie d'obsolescence et sont avantageusement remplacés par la mise en cascade d'un redresseur non commandé et d'un hacheur. D'une part, la commande d'un transistor à effet de champ ou d'un IGBT est beaucoup plus plus simple que celle d'un thyristor et d'autre part, les fréquences de fonctionnement des hacheurs qui dépassent aujourd'hui les 200 kHz permettent d'adapter le rapport cyclique du hacheur pour obtenir une régulation de la tension de sortie. Cette propriété permet d'obtenir une tension de sortie constante sans être contraint d'ajouter un condensateur de forte capacité.

En électrophysiologie, certains canaux ioniques se comportent comme des redresseurs (GIRK). Le terme utilisé dans cette discipline est rectification entrante ou sortante (selon le sens), plutôt que redresseur.

Sommaire

1 Redresseurs monophasés
- 1.1 Applications des redresseurs monophasés
- 1.2 Redressement simple alternance
  - 1.2.1 Redresseurs simple alternance non commandés
  - 1.2.2 Redresseurs simple alternance commandés
  - 1.2.3 Filtrage de la tension de sortie
- 1.3 Redressement double alternance
  - 1.3.1 Pont de Graëtz à diodes
  - 1.3.2 Filtrage de la tension de sortie d'un pont de diode
  - 1.3.3 Lissage du courant de sortie d'un pont de diode
  - 1.3.4 Pont de Graëtz à thyristors
- 1.4 Pont de redressement capacitif
2 Redresseurs triphasés
- 2.1 Redressement simple alternance
  - 2.1.1 Montages à diodes
  - 2.1.2 Montages à thyristors
- 2.2 Redressement double alternance
  - 2.2.1 Pont de Graëtz à diodes
  - 2.2.2 Pont de Graëtz à thyristors
3 Structure quatre quadrants
4 Notes et références
5 Voir aussi
- 5.1 Liens internes

Redresseurs monophasés

En monophasé, on distingue :

les redresseurs simple alternance : dans le sens direct, ils admettent les tensions positives et annulent les tensions négatives. Une simple diode en série avec la charge suffit à réaliser cette opération ;
les redresseurs double alternance : ils commutent de manière à transformer les tensions négatives en tensions positives. Le montage le moins coûteux et le plus efficace est le pont de Graëtz).

Ces redresseurs ne délivrent en général pas une tension utilisable directement.

Applications des redresseurs monophasés

Le redresseur à simple diode est un dispositif très fréquent mais il est davantage utilisé comme dispositif de variation de puissance que comme redresseur. Pour les applications de chauffage il permet, pour un coût très réduit, de diviser par deux la puissance consommée par la charge. La quasi totalité des sèche-cheveux possèdent deux puissances de chauffage. l'interrupteur qui commande le basculement est placé en parallèle d'une diode. Lorsqu'on veut obtenir une pleine puissance, l'interrupteur cour-circuite la diode et la résistance est alimentée directement par le secteur. Pour le fonctionnement à demi puissance, l'interrupteur est ouvert et la diode est en série avec la charge.

Le redressement simple alternance commandé, tout comme les redressements commandés en monophasé, n'a pas d'application industrielle.

Redressement simple alternance

Ce type de redressement permet de supprimer la partie négative d'un signal en conservant la partie positive. La tension de sortie du convertisseur ressemble à la courbe ci-contre où la courbe du haut représente la tension d'entrée et celle du bas la tension en sortie du redresseur.

La tension redressée a alors la même fréquence que la tension d'entrée.

Il existe deux types de redresseurs simple alternance :

les redresseurs non commandés, constitué d'une diode en série avec la charge, avec lesquels il est impossible de faire varier les grandeurs électriques en sortie du convertisseur
les redresseurs commandés, constitué d'un thyristor en série avec la charge, qui permettent de faire varier les grandeurs électriques en sortie du convertisseur, notamment les valeurs moyennes de la tension aux bornes de la charge et du courant la traversant

La sortie redressée de ces convertisseur dépend fortement de la charge^[1].

Redresseurs simple alternance non commandés

Ce type de redresseur est réalisé en mettant simplement une diode en série avec la charge comme le montre le schéma ci-contre.

Le principe des redresseurs simple alternance non commandés est basée sur les propriétés des diodes. En effet, la diode se bloquant lorsque la tension à ses bornes est négative, elle supprime les alternances négatives du signal d'entrée. Pendant les alternances positives, elle se comporte comme un court-circuit et n'altère donc pas le signal d'entrée. La diode joue ainsi le rôle de filtre qui laisse passer les tensions positives et coupe les tensions négatives.

Ce type de redresseur est qualifié de « non commandé » car il est impossible de faire varier les grandeurs en sortie du convertisseur.

Le comportement de ces redresseurs dépend fortement du type de la charge^[2].

Si la charge est de type purement résistif, on obtient la sortie représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement. La tension de sortie est alors conforme à ce que l'on peu attendre d'un redresseur simple alternance.

SI T est la période de la tension d'entrée, la diode est passante entre 0 et $\textstyle{\frac T2}$ et est bloquée entre $\textstyle{\frac T2}$ et T. En effet, pour $ω t = 0$ , le courant la traversant devient nul.

Si la tension d'entrée est de la forme $V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t)$ , les valeurs moyennes des grandeurs de sortie sont :

$<V_s(t)> = \frac\sqrt2 \pi V$
$<I_D> = \frac\sqrt2 \pi \frac VR$ où $R$ est la valeur de la résistance de la charge

Si la charge est de type inductif, la tension de sortie n'est pas correctement redressée si l'on utilise une seule diode. La sortie du convertisseur est représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

La diode conduit à partir de $t = 0$ et ne se bloque pas en $\textstyle{\frac T2}$ (T étant la période du signal d'entrée) comme avec une charge purement résistive. La tension devient négative aux bornes de la charge tant que le courant ne s'annule pas. La diode se bloque avec un retard $t r$ compris entre 0 et $\textstyle{\frac T2}$ . La tension « redressée » est alors négative pendant une partie de la période.

La bobine impose la continuité du courant dans la charge.

Si la tension d'entrée est de la forme $V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t)$ , la valeur moyenne de la tension de sortie est :

$<V_s(t)> = \frac\sqrt2{2\pi} V (1 - cos(\omega (t_0 - \frac T2)))$ où $t 0$ est l'instant auquel se bloque la diode.

Pour corriger le problème intervenant avec une charge de type inductif, on ajoute une diode de roue libre en parallèle de la charge. Les deux diodes sont alors placées en cathodes communes. La sortie du convertisseur est représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

Jusqu'en $\scriptstyle{t =} \textstyle{\frac T2}$ (T étant la période de la tension d'entrée), le montage fonctionne de manière identique au montage sans diode de roue libre. La diode de roue libre intervient en $\scriptstyle{t =} \textstyle{\frac T2}$ . A cette date, la tension aux bornes de la charge devient négative et la diode de roue libre devient passante, bloquant la diode D.

La bobine impose la continuité du courant dans la charge.

Si la tension d'entrée est de la forme $V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t)$ , la valeur moyenne de la tension de sortie est :

$<V_s(t)> = \frac\sqrt2 \pi V$

Ce montage a permis de corriger le problème survenant avec une charge de type inductif. De plus, la valeur moyenne de la tension de sortie a été augmentée. Cependant, la valeur efficace du courant traversant la charge est inférieure au cas sans diode de roue libre.

Si la charge est de type électromotrice, c'est à dire composée d'une résistance et d'une force électromotrice, on obtient la sortie ci-contre. Le graphique du haut représente en bleu la tension d'entrée et en rouge la force électromotrice. Sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

La diode conduit lorsque $V (t) > E$ où $E$ est la force électromotrice et est bloquée lorsque $V (t) < E$ .

La force électromotrice impose que la tension au bornes de la charge soit toujours supérieure à $E$ .

Lorsque la diode est passante, le courant traversant la charge est :

$i(t)=\frac{V(t)-E}R$ où $R$ est la valeur de la résistance de la charge.

Une diode en série avec la charge permet de redresser la tension aux bornes de la charge. Si la charge est de type inductif, il est nécessaire d'ajouter une diode de roue libre pour éviter que la tension de sortie soit négative.

Redresseurs simple alternance commandés

Ce type de redresseur est réalisé en remplaçant la diode du redresseur simple alternance commandé par un thyristor comme le montre le schéma ci-contre.

Le thyristor est caractérisé par un courant de gâchette. Cette caractéristique est mise à profit pour faire varier les grandeurs électriques de sortie et ainsi régler les valeurs moyennes de la tension aux bornes de la charge et du courant la traversant. En effet, on utilise des commandes électroniques introduisant un retard à l'amorçage du thyristor. Cette capacité à faire varier les valeurs des grandeurs de sortie a donné le qualificatif « commandé » à ce type de redresseur.

Les redresseurs monophasés simple alternance commandés conservent une partie de l'alternance positive du signal d'entrée et coupent la partie négative.

Le comportement ce type de redresseur dépend fortement du type de charge^[3].

Si la charge est purement résistive, on obtient la sortie représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

Le thyristor s'amorce avec un retard à l'amorçage compris entre 0 et $π$ . Une fois amorcé, il se comporte comme une diode.

Si la tension d'entrée est de la forme $V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t)$ , les valeurs moyennes de la tension aux bornes de la charge et du courant la traversant sont, en notant $α$ le retard à l'amorçage du thyristor :

$<V_s(t)> = \frac \sqrt2{2\pi} V (cos(\alpha)+1)$
$<i(t)> = \frac \sqrt2{2\pi} \frac VR (cos(\alpha)+1)$ où $R$ est la valeur de la résistance de la charge

Les valeurs moyennes des grandeurs de sortie peuvent donc être réglées en modifiant $α$ .

Si la charge est inductive, on obtient la sortie représentée ci-contre. Le graphique du haut représente la tension d'entrée et sur le graphique du bas, la tension aux bornes de la charge et le courant la traversant sont représentés en bleu et rouge respectivement.

Le même phénomène que pour le redresseur non commandé apparaît. Le thyristor conduit à partir de $ω t = α$ et ne se bloque pas en $\textstyle{\frac T2}$ (T étant la période du signal d'entrée) comme avec une charge purement résistive. La tension devient négative aux bornes de la charge tant que le courant ne s'annule pas. La diode se bloque avec un retard $t r$ compris entre 0 et $\textstyle{\frac T2}$ . La tension « redressée » est alors négative pendant une partie de la période.

La bobine impose la continuité du courant dans la charge.

Si la tension d'entrée est de la forme $V(t) = \sqrt2Vsin(\omega t)$ , la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge est, en notant $α$ le retard à l'amorçage du thyristor :

$<V_s(t)> = \frac\sqrt2{2\pi} V (cos(\alpha) - cos(\omega (t_0 - \frac T2)))$ où $t 0$ est la date à partir de laquelle le thyristor est bloqué

Les valeurs moyennes des grandeurs de sortie peuvent être régler en jouant sur $α$ .

Le thyristor conduit lorsque $V (t) > E$ ( $E$ étant la force électromotrice) et $ω t > α$ . Elle est bloquée lorsque $V (t) < E$ .

La force électromotrice impose que la tension au bornes de la charge soit toujours supérieure à E.

Lorsque la diode est passante, le courant traversant la charge est :

$i(t)=\frac{V(t)-E}R$ où $R$ est la valeur de la résistance de la charge.

Un thyristor en série avec la charge permet de redresser la tension aux bornes de la charge. Le thyristor, et en particulier son retard à l'amorçage, détermine les grandeurs de sortie. Il est donc possible de les faire varier en choisissant le bon retard à l'amorçage.

Filtrage de la tension de sortie

La tension obtenue après redressement est positive mais elle n'est pas continue. Pour annuler les harmoniques responsables des hautes fréquences, on utilise un filtre en sortie du redresseur. On obtient alors la sortie ci-contre. La tension d'entrée est représentée en bleu et la tension en sortie du filtre est représentée en rouge.

Le filtrage le plus simple est effectué à l'aide d'un condensateur placé en parallèle de la charge. Le condensateur stocke alors de l'énergie pendant les alternances positives de la tension d'entrée et la redistribue quand la diode est bloquée.

La capacité du condensateur doit être la plus grande possible pour limiter les ondulations. On démontre^[4] que la capacité $C \,$ du condensateur , la fréquence $f \,$ de la source, l'intensité maximale $I_{max} \,$ de sortie et l'amplitude maximale de l'ondulation $U \,$ :

$C = \frac {I_{max}}{U\cdot f}$

Il est possible d'améliorer le lissage en utilisant des filtres plus complexes.

Redressement double alternance

Pont de Graëtz à diodes

Voir l’article Pont de diodes.

Filtrage de la tension de sortie d'un pont de diode

Le filtrage de la tension se fait à l'aide d'un condensateur.

Pour une charge donnée, plus la capacité du condensateur est grande plus le filtrage est efficace.
Pour un condensateur donnée, moins la charge appelle du courant, plus le filtrage est efficace
En règle générale, lorsque le redresseur alimente une charge résistive de résistance $R \,$ , plus le produit $RC \,$ est grand, plus le filtrage est efficace.

Ci contre, la tension de sortie pour deux valeurs de ce produit. Remarque : le produit $RC \,$ est homogène à un temps.

Inconvénient : le courant à l'entrée du pont n'est plus sinusoïdal.

Lissage du courant de sortie d'un pont de diode

Pour les charges qui appellent un fort courant, le filtrage de la tension par un condensateur n'est pas le plus efficace. On préfère alors placer une inductance en série avec la charge.

Pont de Graëtz à thyristors

Pont de redressement capacitif