Circuit de filtrage - Cours d'Electronique avec Maxicours

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Circuit de filtrage

1. Introduction

Les redresseurs permettent de convertir une tension alternative sinusoïdale en une tension redressée pulsée, c'est-à-dire une tension variable mais de signe constant.

Que ce soit pour un redresseur simple alternance ou double alternance, la variation de la tension de sortie est comprise entre 0 V et Vmax (figures suivantes).

Cependant, pour obtenir une tension continue de valeur sensiblement constante, il faut réduire fortement cette variation de tension. C'est le rôle des composants de filtrage.

Sortie des redresseurs simple alternance :

Tensions d'un redresseur double alternance :

Tensions d'un redresseur double alternance :

Vous découvrirez dans cette étude les divers circuits de filtrage ainsi que leur influence sur le circuit.

L'étude sera davantage concentrée sur le filtre capacitif alors que vous ferez un survol des autres filtres, tels le filtre inductif, le filtre LC et le filtre résistif.

2. Utilité des filtres

Les filtres jouent un double rôle :

  • Réduire la composante alternative d'une onde,
  • Augmenter le niveau de tension continue (tension moyenne) d'un circuit redresseur.

La figure suivante présente les diverses étapes de la transformation d'une onde alternative en une tension continue.

Étapes de transformation :

Il existe plusieurs types de filtres, lesquels sont plus ou moins efficaces. Citons, en guise d'exemple, les filtres capacitifs et inductifs.

3. Diverses sortes de filtres

Filtre capacitif :

Le filtre capacitif consiste en un condensateur C placé en parallèle avec la résistance de charge (figure ci-dessous).

Par définition, le condensateur est l'équivalent de l'accumulateur en hydraulique.

Ajout d'un filtre capacitif :

Comme le condensateur a pour propriété de s'opposer à toutes variations brusques de tension, il empêche la tension minimale de sortie du redresseur d'atteindre un potentiel nul.

La charge du condensateur maintient plutôt cette tension minimale tout près de la valeur Vmax.

La figure suivante présente les courbes de tension de sortie des redresseurs simple et double alternance sous l'effet d'un filtre capacitif.

  • Les traits pointillés sont associés à la tension de sortie des redresseurs sans filtre (tension pulsée);
  • les traits pleins représentent la tension de sortie sous l'influence d'un condensateur de filtrage.

Remarquez l'augmentation évidente de la tension minimale de sortie (Vmin) provoquée par le condensateur.

Ceci a pour effet de rapprocher la valeur de la composante continue (Vmoy) à une valeur plus près de Vmax.

Effet d'un filtre capacitif :

Il arrive parfois qu'on entende le terme "ronflement" pour représenter la qualité de l'onde de sortie d'une source d'alimentation à courant continu. Cette appellation correspond à la tension crête-à-crête d'ondulation de la figure ci-dessus.

Le ronflement est particulièrement indésirable pour des équipements comme les radios ou les systèmes audio.

Les circuits de filtrage permettent alors de réduire le ronflement.

La vitesse de charge et de décharge d'un condensateur dépend de la constante de temps RC.

Dans les circuits redresseurs munis d'une charge résistive (Rc) et d'un filtre capacitif (C), le produit RcC représente la constante de temps du circuit :

 Td = RcC où Td désigne la constante de temps de décharge, en secondes.

L'efficacité du filtre découle de cette relation.

La charge du condensateur se fait à chaque fois que la tension pulsée devient supérieure à la tension aux bornes du condensateur.

La constante de temps de charge dépend cette fois de la résistance directe de la diode (Tc = RdC).

Elle est de l'ordre de quelques microsecondes. Le condensateur se charge presque instantanément en suivant la courbe de la partie ascendante de la tension pulsée.

Au contraire, le condensateur se décharge à chaque fois que la tension pulsée devient inférieure à la tension à ses bornes. Le condensateur se décharge alors lentement à travers la résistance de charge Rc selon la constante de temps Td.

  • Idéalement, avec un condensateur de capacité très élevée, la constante de temps de décharge est très grande et le condensateur restera toujours chargé à Vmax (figure suivante).
  • A l'opposé, avec un condensateur de faible capacité, la constante de temps de décharge est très faible et le condensateur se déchargera très rapidement.

Influence de la constante de temps :

Choix du condensateur :

Comme le filtrage exige des condensateurs de fortes capacités, on utilise des condensateurs électrolytiques dans les circuits de filtrage.

En pratique, on fait usage des condensateurs de valeur élevée, de l'ordre de 1 000 µF à 4 000 µF. Il faut être vigilant lors du branchement des condensateurs électrolytiques et toujours respecter leur polarité.

Le condensateur de filtrage se branche en parallèle avec la résistance de charge. Il doit pouvoir supporter entre ses bornes une tension continue au moins égale à la tension maximale de sortie.

4. Autres types de filtres

Les autres types de circuits de filtrage sont beaucoup moins utilisés que le filtre capacitif.

On retrouve principalement:

-les filtres inductifs,

-les filtres LC (en L),

-les filtres CLC (en pi).

La figure suivante présente le circuit de chacun de ces filtres.

Filtres :

Le filtre inductif est constitué d'une bobine qu'on appelle souvent bobine de lissage. Cette dernière est placée en série avec la résistance de charge. La principale propriété d'une bobine est de s'opposer à toute variation brusque de courant.

L'introduction de ce type de composant a donc pour effet de réduire les ondulations et les pointes possibles de courant tout en laissant libre passage à la composante continue du signal.

Ainsi, lorsque la tension provenant du redresseur augmente, la bobine s'oppose à l'augmentation de courant qui y est liée.

Le phénomène inverse se produit lorsque la tension diminue, la bobine tente de conserver la même valeur de courant.

Cette ondulation du courant I limitée par la bobine entraîne une faible ondulation de la tension de sortie aux bornes de la charge, (Vs = Rcharge · I).

La figure suivante présente la courbe de tension de la sortie d'un filtre inductif.

Filtre inductif :

Avec les deux types de filtres que nous avons vus précédemment, les temps de réponse des composants sont directement liés à la valeur de la résistance de charge.

Le filtre LC permet d'éliminer ce problème en rendant le filtre indépendant de la charge. A l'intérieur d'un filtre LC, la bobine et le condensateur travaillent ensemble pour fournir à la charge la tension la plus linéaire possible.

La bobine permet au condensateur de conserver une partie de sa charge lorsqu'il y a baisse de tension. Ce type de filtre est peu utilisé car il a tendance à diminuer le courant disponible à la charge.

Le filtre CLC est une combinaison du filtre LC et du filtre capacitif.

C'est là un bel exemple d'un filtrage étagé où l'on ajoute en série une bobine et un condensateur pour obtenir une onde de plus en plus linéaire.

Cependant, la venue sur le marché de condensateurs électrolytiques de capacité élevée, peu encombrants et peu onéreux, ainsi que des circuits régulateurs intégrés a réduit beaucoup l'utilisation de ce type de circuit.

Le tableau de la figure suivante présente quelques-unes des caractéristiques des divers circuits de filtrage.

Caractéristiques des circuits de filtrage :

5. Résumé sur le circuit redresseur

A la suite de cette étude, vous devriez maîtriser plus particulièrement les points suivants :

- On utilise les redresseurs pour transformer le courant alternatif en courant continu pulsé.

- Le redresseur simple alternance bloque une alternance sur deux, selon le sens de la diode.

- Les deux types de redresseurs double alternance sont à point milieu et en pont.

- Les redresseurs double alternance permettent de récupérer toutes les alternances du signal d'entrée.

- Les principales caractéristiques des trois types de redresseurs sont présentées au tableau de la figure suivante.

Caractéristiques des redresseurs :

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