Karamö, le prof virtuelLeçon 21 sur 22
Le redressement d'une tension alternative
Je sais expliquer comment une diode, puis un pont de diodes et un condensateur, transforment une tension alternative en tension continue.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 4 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Connaître la diode, son symbole, son sens passant et son sens bloquant
- Expliquer le redressement simple alternance avec une diode
- Expliquer le redressement double alternance avec un pont de quatre diodes
- Reconnaître les oscillogrammes des tensions redressées et calculer leur période
- Connaître le rôle du condensateur de filtrage et la chaîne d'un chargeur
Avant de commencer : Les leçons « Produire une tension alternative » (période, fréquence, oscillogramme), « Les mesures en courant alternatif » (U_max, U_eff) et « Les transformateurs ».
1Je découvre
Aïssatou a reçu une radio qui fonctionne avec quatre piles. Les piles coûtent cher au marché de Faranah, alors son cousin Ibrahima, qui répare des appareils, lui propose un adaptateur à brancher sur le secteur. Sur l'adaptateur, elle lit : « Entrée : 220 V ~ » et « Sortie : 6 V ⎓ ».
Aïssatou reconnaît les symboles de la leçon précédente : le « ~ » veut dire alternatif, et le « ⎓ » veut dire continu. Elle comprend que l'adaptateur abaisse la tension grâce à un transformateur. Mais le transformateur donne encore une tension alternative, qui change de sens 100 fois par seconde. Or sa radio, prévue pour des piles, a besoin d'une tension continue, toujours dans le même sens.
Ibrahima ouvre un vieil adaptateur : à côté du transformateur, il y a quatre petits composants noirs cerclés d'un anneau gris, et un petit cylindre plus gros.
Comment transformer une tension alternative en tension continue, et à quoi servent ces petits composants ?
2Je comprends
1. La diode : un « sens unique » pour le courant
Une diode est un dipôle qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens. Elle a deux bornes :
- l'anode (A) ;
- la cathode (K), repérée sur le composant par un anneau (une bague de couleur).
Son symbole est un triangle (qui indique le sens du courant) contre un trait (côté cathode) : on le lit comme une flèche qui montre le sens autorisé, de l'anode vers la cathode.
- Si le courant arrive par l'anode et sort par la cathode, la diode est dans le sens passant : elle conduit, elle se comporte presque comme un simple fil (elle « consomme » seulement une petite tension, d'environ 0,6 V pour une diode au silicium).
- Dans l'autre sens, la diode est dans le sens bloquant : elle ne conduit pas, elle se comporte comme un interrupteur ouvert.
Vérification avec une pile et une lampe. On branche en série une pile, une diode et une lampe. La lampe brille ; on retourne la diode : la lampe s'éteint. Les diodes électroluminescentes (DEL, ou LED) sont des diodes qui, en plus, émettent de la lumière dans le sens passant.
2. Le redressement simple alternance (une diode)
On branche une diode en série avec une résistance (ou une lampe), le tout alimenté par une tension alternative sinusoïdale (celle d'un transformateur). On observe à l'oscilloscope la tension aux bornes de la résistance.
- Pendant les demi-périodes où la tension est positive, la diode est dans le sens passant : le courant passe et la tension aux bornes de la résistance suit la tension du générateur.
- Pendant les demi-périodes négatives, la diode est bloquée : le courant ne passe pas et la tension aux bornes de la résistance est nulle.
Le courant dans la résistance circule maintenant toujours dans le même sens : on dit que la tension est redressée. Mais elle n'est pas constante : elle est formée de bosses séparées par des temps morts. On l'appelle tension redressée simple alternance (une seule alternance sur deux est utilisée). Sa période est la même que celle de la tension alternative de départ : 20 ms pour du 50 Hz.
L'inconvénient : la moitié du temps, l'appareil ne reçoit rien. On gaspille une alternance sur deux.
3. Le redressement double alternance (pont de diodes)
Pour utiliser les deux alternances, on assemble quatre diodes en carré : c'est un pont de diodes (appelé aussi pont de Graetz). La tension alternative arrive sur deux sommets opposés du carré, et on récupère la tension redressée sur les deux autres sommets.
Fonctionnement :
- pendant l'alternance positive, deux diodes (placées l'une en face de l'autre) conduisent, les deux autres sont bloquées ;
- pendant l'alternance négative, ce sont les deux autres diodes qui conduisent.
Dans les deux cas, le courant traverse l'appareil dans le même sens. Les creux négatifs sont « retournés » vers le haut.
La tension obtenue est la tension redressée double alternance. Il y a deux bosses pendant une période de la tension de départ :
- sa période est divisée par 2 : T' = T2 ;
- sa fréquence est multipliée par 2 : f' = 2f. Avec le secteur à 50 Hz : T' = 10 ms et f' = 100 Hz.
La valeur maximale reste à peu près la même que celle de la tension de départ (un peu plus faible en réalité, à cause des petites tensions consommées par les diodes).
- une seule diode
- seules les alternances positives passent
- temps morts à zéro une demi-période sur deux
- même période que la tension de départ (20 ms)
- quatre diodes en pont
- les deux alternances passent, dans le même sens
- pas de temps mort
- période divisée par deux (10 ms)
4. Le filtrage : le condensateur
Même redressée en double alternance, la tension « ondule » : elle monte et descend entre 0 et Umax. Pour la rendre presque constante, on branche un condensateur en parallèle (en dérivation) à la sortie du pont.
Un condensateur est un composant capable de stocker des charges électriques puis de les restituer, un peu comme un petit réservoir :
- quand la tension monte, il se charge ;
- quand la tension redescend, il se décharge dans l'appareil et « comble les creux ».
La tension obtenue est presque continue : elle reste proche de Umax avec une petite ondulation. Plus la capacité du condensateur est grande, plus l'ondulation est faible. Pour obtenir une tension parfaitement stable, les adaptateurs ajoutent souvent un composant appelé régulateur.
- 1Secteur : tension alternative sinusoïdale 220 V, 50 Hz.
- 2Transformateur abaisseur : tension alternative plus faible (par exemple 12 V efficaces).
- 3Pont de quatre diodes : tension redressée double alternance, toujours positive, de fréquence 100 Hz.
- 4Condensateur de filtrage : tension presque continue, avec une petite ondulation.
- 5Régulateur (si présent) : tension continue stable, prête pour la radio, la lampe ou le téléphone.
Méthode
Pour étudier un oscillogramme de tension redressée :
- Je regarde si la courbe descend sous zéro : si oui, la tension n'est pas redressée.
- Je regarde s'il y a des temps morts à zéro entre les bosses : si oui, c'est un redressement simple alternance (une diode) ; sinon, double alternance (pont de diodes).
- Je mesure la période sur l'écran : T = nombre de divisions × balayage. Je calcule f = 1 / T.
- Je mesure U_max : nombre de divisions verticales × sensibilité.
- Si la courbe est presque plate, un condensateur de filtrage est branché.
Exemple
On alimente un pont de diodes par un transformateur 220 V / 12 V (valeurs efficaces), 50 Hz. On néglige les tensions consommées par les diodes. Calculer la valeur maximale, la période et la fréquence de la tension redressée.
Valeur maximale de la tension du transformateur : U_max = 12 × √2 ≈ 12 × 1,414 ≈ 17 V. La tension redressée monte donc jusqu'à environ 17 V.
Période de la tension alternative : T = 1 / 50 = 0,02 s = 20 ms.
Double alternance : T' = T / 2 = 10 ms = 0,01 s, et f' = 1 / 0,01 = 100 Hz.
Exemple
Sur l'écran d'un oscilloscope (balayage 5 ms/div), une tension redressée présente des bosses séparées par des paliers à zéro. Un motif complet (une bosse + un palier) occupe 4 divisions. Quel type de redressement ? Quelle fréquence ?
Les paliers à zéro indiquent un redressement simple alternance (une seule diode).
T = 4 × 5 = 20 ms = 0,02 s ; f = 1 / 0,02 = 50 Hz, la même que le secteur.
3Je retiens
Je retiens
Une diode ne laisse passer le courant que dans un sens : de l'anode vers la cathode (repérée par l'anneau). Dans l'autre sens, elle bloque.
Redressement simple alternance (une diode) : seules les alternances positives passent ; même période que la tension de départ.
Redressement double alternance (pont de 4 diodes) : les deux alternances passent dans le même sens ; période divisée par 2, fréquence doublée (100 Hz pour le secteur).
Un condensateur branché en dérivation filtre la tension redressée : il la rend presque continue.
Chaîne d'un adaptateur : transformateur (abaisse) → pont de diodes (redresse) → condensateur (filtre) → régulateur (stabilise).
4Erreurs fréquentes
- Croire qu'une diode « abaisse » la tension : elle ne fait que bloquer un sens du courant ; c'est le transformateur qui abaisse.
- Penser qu'une tension redressée est déjà continue : elle garde un seul signe mais varie encore (bosses) ; il faut filtrer.
- Garder 50 Hz pour une tension redressée double alternance : il y a deux bosses par période, la fréquence devient 100 Hz.
- Brancher une diode à l'envers : l'anneau marque la cathode, par où sort le courant.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Complète : « Une diode laisse passer le courant de l'… vers la … . La cathode est repérée par un … . Dans l'autre sens, la diode est … . »
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« Une diode laisse passer le courant de l'anode vers la cathode. La cathode est repérée par un anneau. Dans l'autre sens, la diode est bloquée (sens bloquant). »
2Exercice 2
Dans un circuit en série, Fatoumata place une pile, une lampe et une diode. La lampe ne s'allume pas. Propose une explication et une solution.
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La diode est probablement branchée dans le sens bloquant : le courant ne peut pas passer, la lampe reste éteinte. Solution : retourner la diode pour que le courant entre par l'anode et sorte par la cathode (côté anneau). (On vérifiera aussi que la pile n'est pas usée et que la lampe n'est pas grillée.)
3Exercice 3
Associe chaque montage à son effet.
a) une diode seule ; b) un pont de quatre diodes ; c) un condensateur en dérivation ; d) un transformateur.
Effets : 1) rend la tension presque continue ; 2) abaisse ou élève une tension alternative ; 3) redresse les deux alternances ; 4) ne laisse passer qu'une alternance sur deux.
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a) → 4 ; b) → 3 ; c) → 1 ; d) → 2.
4Exercice 4
Une tension alternative de fréquence 50 Hz est redressée par un pont de diodes. Calcule la période et la fréquence de la tension redressée.
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Période de la tension alternative : T = 150 = 0,02 s = 20 ms. En double alternance : T' = T2 = 10 ms = 0,01 s et f' = 10,01 = 100 Hz.
5Exercice 5
(Type examen) Le chargeur d'une lampe solaire comprend, dans l'ordre, un transformateur, un pont de diodes et un condensateur. Il est branché sur le secteur (220 V ; 50 Hz). Le transformateur fournit 9 V efficaces.
a) Donne le rôle de chacun des trois éléments.
b) Calcule la valeur maximale de la tension à la sortie du transformateur.
c) Dessine l'allure de la tension à la sortie du pont (sans condensateur) et donne sa période.
d) Que devient la courbe si l'on ajoute le condensateur ?
e) Si l'une des quatre diodes du pont est coupée (elle ne conduit plus), quel type de redressement obtient-on ? Justifie.
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a) Le transformateur abaisse la tension alternative du secteur (de 220 V à 9 V) ; le pont de diodes redresse les deux alternances pour que le courant circule toujours dans le même sens ; le condensateur filtre la tension redressée pour la rendre presque continue.
b) Umax = 9 × √2 ≈ 9 × 1,414 ≈ 12,7 V.
c) La courbe est une suite de bosses positives, collées les unes aux autres, sans partie négative ni temps mort ; chaque bosse monte jusqu'à environ 12,7 V. Période : T' = 20 ms2 = 10 ms.
d) La courbe devient presque une droite horizontale, proche de 12,7 V, avec une petite ondulation : la tension est presque continue.
e) Pendant l'une des deux alternances, le chemin du courant passe par la diode coupée : le courant ne passe plus pendant cette alternance. Seule l'autre alternance est redressée : on obtient un redressement simple alternance (avec des temps morts à zéro).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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