Guide du débutant pour la conception de redresseur complet en pont en H

La conversion d'énergie est une partie essentielle de la vie moderne, et probablement la plus importante à des fins pratiques en électronique est la conversion de l'AC en DC. Les redresseurs sont les circuits essentiels utilisés pour transformer l'AC en DC et ils peuvent être classés dans l'une des catégories suivantes :

• Redresseur demi-onde
• Redresseur complet à point milieu
• Redresseur en pont

La fonctionnalité de ces redresseurs est la même, c'est-à-dire la conversion de l'AC en DC, mais chacun utilise une configuration d'entrée différente et ils ont des sorties différentes. Le redresseur à point milieu et le redresseur en pont sont tous deux des redresseurs complets (ce dernier est parfois appelé "redresseur en pont complet"), et ils offrent une efficacité de conversion d'énergie supérieure à celle d'un redresseur demi-onde. Les redresseurs à point milieu et les redresseurs en pont servent presque le même but, mais le transformateur à point milieu utilisé dans le premier est coûteux, donc un redresseur en pont est généralement préféré à moins que les prises centrales sur un transformateur ne soient nécessaires pour une raison particulière.

Dans ce guide, nous examinerons la conception et la simulation d'un redresseur en H complet pour la conversion d'énergie monophasée et triphasée. Les deux peuvent être utilisés dans un cadre industriel, y compris dans de petits modules de contrôle que mon entreprise a développés pour des projets clients. Ils sont omniprésents dans d'autres dispositifs électroniques, et construire une simulation avec ceux-ci est important pour voir comment ils peuvent fournir de l'énergie aux circuits en aval avec une haute efficacité.

Types de circuits de redresseur en pont complet

Un circuit de redresseur en pont complet de base est montré ci-dessous. Ce circuit utilise normalement quatre diodes (D1-D4) arrangées en paires en série et seulement deux diodes sont polarisées directement pendant chaque demi-cycle de l'entrée AC. Les quatre diodes de ce redresseur sont connectées sur une structure en boucle fermée, semblable à un pont et cette assemblée lui donne son nom. Cela est parfois appelé un redresseur non contrôlé, la raison de cela sera montrée plus tard dans cet article.

Redresseurs monophasés vs. triphasés

Parfois, vous verrez le redresseur ci-dessus dessiné dans une configuration en H, qui est montrée ci-dessous. Cette configuration est la même que la configuration ci-dessus. Ci-dessous est également montré un redresseur triphasé pour comparaison, qui utilise simplement 6 diodes au lieu de 4, avec 2 diodes en série utilisées pour contrôler le flux de courant pour chaque phase dans une connexion AC triphasée. Les différences entre les deux types de redresseurs devraient être évidentes à partir de leurs formes d'onde ; le redresseur triphasé fournit beaucoup moins de ripple mais à 1,5 fois la fréquence du redresseur monophasé.

Comme les diodes conventionnelles sont unidirectionnelles et non contrôlées, le courant ne peut circuler que dans une direction, et il n'y a aucun moyen de contrôler la tension directe. Pour cette raison, nous appelons normalement ces redresseurs « non contrôlés » et nous devons choisir correctement les diodes utilisées dans ces circuits pour garantir que le redresseur sera totalement polarisé directement dans l'environnement de fonctionnement prévu. Si vous vous connectez au réseau AC, vous aurez suffisamment de marge pour garantir que les diodes de ce circuit seront toujours polarisées directement, cela est plus préoccupant si vous réduisez d'abord à un niveau bas, puis appliquez la rectification. Pour cette raison, il est souvent question d'utiliser un transformateur pour réduire d'abord à un niveau modéré (niveau AC nominal de 12 V ou 24 V), puis le signal est passé à travers le redresseur. Après lissage à une certaine valeur DC, une étape de régulation finale est appliquée pour fixer la tension de sortie à la valeur requise.

Redresseurs contrôlés

Ce type de redresseur à pont complet utilise certains composants à semi-conducteurs contrôlés comme les MOSFETs, IGBTs, SCRs, etc. au lieu de diodes conventionnelles. Un SCR est couramment utilisé car sa tension peut être facilement variée par application directe d'une tension DC externe. Ainsi, le système peut ajuster la sortie de puissance pour différentes tensions selon les besoins. L'image ci-dessous montre un redresseur à pont contrôlé monophasé, qui implique simplement de remplacer les diodes par des SCRs.

Tout comme le redresseur monophasé régulier, ce redresseur contrôlé peut être représenté sous forme de pont en H ; la fonctionnalité résultante est exactement la même. Nous pouvons également étendre le circuit à une entrée triphasée en utilisant 6 SCRs (2 pour chaque phase).

Choix des diodes

Comme je l'ai mentionné ci-dessus, il devrait être clair que le courant à travers la charge circule dans une direction dans les deux types de redresseurs, donc seulement deux des diodes sont polarisées directement à un instant donné. Il y a une chute de tension à travers chaque diode dans la section du pont polarisée directement pendant chaque demi-cycle. Pour les diodes au silicium, la chute de tension totale doit être de 2*0.7 = 1.4 V car deux diodes seront polarisées directement. Si vous travaillez avec de l'AC couplé par transformateur de niveau inférieur, alors vous pourriez vouloir utiliser des diodes au germanium ou Schottky car elles ont une chute de tension plus faible lorsqu'elles sont polarisées directement.

Formes d'onde de sortie

Normalement, une fois votre redresseur configuré, une tension DC est établie en ajoutant un condensateur de lissage aux sorties. Le condensateur de lissage en parallèle avec la charge déterminera le niveau de ripple superposé sur la forme d'onde de sortie DC. Au moment où la tension d'entrée commence à diminuer pendant un cycle, le condensateur aux bornes de sortie commence à se décharger en parallèle avec la résistance, formant ainsi un circuit RC. Le condensateur se charge et se décharge de manière répétée avec une constante de temps RC particulière entre les demi-cycles. Avant que le condensateur puisse se décharger complètement, le cycle de charge recommence, donc le condensateur n'est jamais complètement déchargé à moins que l'alimentation d'entrée ne soit coupée.

Ici, vous pouvez utiliser la constante de temps RC pour déterminer ce taux de décharge à travers la charge. Par exemple, si nous utilisons une résistance de charge de 10 kOhm avec un condensateur de 50 uF, alors la constante de temps RC est de 500 ms. Cela signifie que si nous voulons réduire le ripple sur la tension DC de sortie, alors nous devons augmenter la valeur du condensateur de lissage ou la résistance de charge (ou les deux). Bien que la forme d'onde de sortie ne soit pas purement DC, augmenter la résistance de charge et le condensateur de lissage suffisamment haut fait que le ripple de sortie est si petit qu'il pourrait ne pas être facilement remarqué. L'étape finale de régulation sera généralement un LDO (pour les basses tensions) ou un régulateur à découpage (pour les hautes tensions).

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