Obtenir un courant continu à partir d'un courant alternatif et inversement | Terminale Bac Pro ICCER | Physique-Chimie
Capacités et connaissances du programme :
C1 – Distinguer courant alternatif et courant continu
C2 – Identifier le schéma d'un redresseur (monoalternance, double alternance)
C3 – Calculer la valeur moyenne d'un signal redressé
C4 – Identifier le rôle d'un condensateur de filtrage
C5 – Reconnaître les applications (alimentation, chargeur, variateur)
C1 — Distinguer courant alternatif et courant continu
Courant alternatif (CA) : le sens du courant change périodiquement (réseau EDF, 230 V / 50 Hz). Courant continu (CC) : le courant circule toujours dans le même sens (batterie, alimentation stabilisée).
Exercice 1
Indiquer si chacun des éléments suivants fonctionne en courant alternatif (CA) ou continu (CC) :
a) Réseau électrique domestique EDF (230 V)
b) Batterie de voiture (12 V)
c) Moteur CC d'un circulateur de chauffage
d) Résistance chauffante d'un chauffe-eau raccordé au réseau
a) CA – le réseau EDF alterne à 50 Hz.
b) CC – une batterie fournit une tension constante de même polarité.
c) CC – un moteur CC est alimenté en courant continu stabilisé.
d) CA – la résistance est directement branchée sur le réseau alternatif.
Exercice 2
La tension du réseau EDF est \(u(t) = 325\sin(2\pi \times 50 \times t)\) V. Donner la valeur efficace \(U\) et la fréquence \(f\).
La valeur maximale (amplitude) est \(U_{\max} = 325\) V.
\[U = \frac{U_{\max}}{\sqrt{2}} = \frac{325}{\sqrt{2}} \approx 230 \text{ V}\]
La fréquence est \(f = 50\) Hz. U ≈ 230 V et f = 50 Hz.
Exercice 3
Un technicien chauffagiste utilise un multimètre sur le mode « V~ » (voltmètre alternatif). Il lit 230 V. Quelle grandeur mesure-t-il ? Quelle est la valeur de crête de cette tension ?
Le multimètre en mode « V~ » mesure la valeur efficace de la tension alternative : \(U = 230\) V.
La valeur de crête est : \(U_{\max} = U \times \sqrt{2} = 230 \times 1{,}414 \approx 325\) V.
C2 — Identifier le schéma d'un redresseur
Redresseur monoalternance : 1 diode — ne laisse passer qu'une demi-période. Redresseur double alternance (pont de Graetz) : 4 diodes — utilise les deux demi-périodes.
La diode est un composant qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens.
Exercice 1
Un schéma de redresseur contient une seule diode en série avec la charge. S'agit-il d'un redresseur monoalternance ou double alternance ? Décrire l'allure du signal de sortie.
Il s'agit d'un redresseur monoalternance. La diode bloque les demi-alternances négatives. Le signal de sortie est une succession de demi-sinusoïdes positives séparées par des intervalles nuls (une sur deux).
Exercice 2
Un pont de Graetz comporte 4 diodes. Expliquer pourquoi ce montage est dit « double alternance ». Décrire l'allure du signal de sortie.
Les 4 diodes sont organisées de façon à ce que, quelle que soit la demi-période (positive ou négative), le courant circule toujours dans le même sens dans la charge.
Le signal de sortie est une succession de demi-sinusoïdes toutes positives, sans interruption : les deux alternances sont utilisées. La fréquence de la tension redressée est doublée (100 Hz pour une source à 50 Hz).
Exercice 3
Dans une alimentation de régulateur de chauffage, on utilise un pont de Graetz plutôt qu'un redresseur monoalternance. Donner deux avantages du pont de Graetz.
1. Valeur moyenne plus élevée : on utilise les deux alternances, donc la tension moyenne est environ deux fois plus grande.
2. Ondulation plus faible : le signal oscille à 100 Hz (au lieu de 50 Hz), ce qui facilite le filtrage et donne une tension de sortie plus lisse.
C3 — Calculer la valeur moyenne d'un signal redressé
Un pont de Graetz est alimenté par la même tension (\(U_{\max} = 325\) V). Calculer la valeur moyenne de la tension redressée double alternance.
\[U_{\text{moy}} = \frac{2 \times U_{\max}}{\pi} = \frac{2 \times 325}{\pi} \approx \frac{650}{3{,}14} \approx 207 \text{ V}\]
\(U_{\text{moy}} \approx 207\) V. La double alternance donne une tension moyenne deux fois plus élevée.
Exercice 3
On souhaite obtenir une tension moyenne de 150 V en sortie d'un pont de Graetz. Quelle doit être la valeur maximale \(U_{\max}\) de la tension d'entrée ?
C4 — Identifier le rôle d'un condensateur de filtrage
Le condensateur se charge lors des pics de tension et se décharge entre les pics, « lissant » les ondulations.
Plus la capacité est grande, plus le lissage est efficace et la tension de sortie est proche d'une tension continue parfaite.
Exercice 1
Après un redresseur double alternance, on observe une tension qui oscille entre 200 V et 207 V. On place un condensateur de grande capacité en parallèle sur la charge. Décrire l'effet sur la tension de sortie.
Le condensateur se charge jusqu'au pic (207 V) puis se décharge lentement dans la charge entre deux pics. Les oscillations (ondulations) sont fortement atténuées : la tension reste proche de 207 V et varie très peu. On obtient ainsi une tension quasi-continue.
Exercice 2
Un installateur thermique remarque que l'alimentation d'un régulateur de chauffage produit une tension avec de fortes ondulations. Il pense à augmenter la capacité du condensateur de filtrage. Justifier cette démarche.
Un condensateur de plus grande capacité stocke plus d'énergie. Entre deux pics, il se décharge plus lentement, maintenant la tension à un niveau plus stable. Les ondulations résiduelles sont plus faibles, ce qui protège les composants électroniques du régulateur contre les variations de tension.
Exercice 3
Dans quel cas peut-on se passer de condensateur de filtrage ? Donner un exemple d'application.
On peut se passer de condensateur si la charge n'est pas sensible aux ondulations, par exemple une résistance chauffante ou un moteur universel qui fonctionnent aussi bien en tension pulsée qu'en tension continue parfaite. En revanche, les circuits électroniques (régulateurs, microcontrôleurs) nécessitent impérativement un filtrage soigné.
C5 — Reconnaître les applications du redressement et de l'onduleur
Redresseur : CA → CC (alimentation, chargeur de batterie, variateur de vitesse). Onduleur : CC → CA (onduleur photovoltaïque, alimentation secourue, variateur de fréquence). Variateur de vitesse : redresse le courant alternatif, puis reconvertit en alternatif à fréquence réglable.
Exercice 1
Un technicien de maintenance énergétique intervient sur un chargeur de batterie de pompe de secours. Expliquer pourquoi ce chargeur contient un redresseur.
Une batterie se charge en courant continu. Le chargeur prélève le courant alternatif du réseau et le redresse (CA → CC) pour alimenter la batterie dans les bonnes conditions. Sans redresseur, le courant alternatif endommagerait la batterie.
Exercice 2
Une installation photovoltaïque produit une tension continue de 400 V. Pour injecter cette énergie sur le réseau à 230 V / 50 Hz, on utilise un onduleur. Expliquer le rôle de l'onduleur.
L'onduleur convertit la tension continue des panneaux solaires en tension alternative à 230 V / 50 Hz, compatible avec le réseau EDF. Il synchronise aussi la fréquence et la phase pour permettre l'injection en toute sécurité.
Exercice 3
Un variateur de vitesse est utilisé pour régler la vitesse d'un circulateur de chauffage. Décrire les deux grandes étapes de conversion électronique dans ce variateur.
Étape 1 — Redressement : la tension alternative du réseau (230 V / 50 Hz) est convertie en tension continue (CA → CC) par un pont de diodes.
Étape 2 — Ondulation : la tension continue est reconvertie en tension alternative à fréquence variable (CC → CA) par un onduleur à transistors. En faisant varier la fréquence de sortie, on fait varier la vitesse du moteur du circulateur.