Connaître le rôle d'une diode et identifier ses deux états (passante / bloquée)
Expliquer le redressement simple alternance et double alternance (pont de Graetz)
Calculer la valeur moyenne d'un signal redressé
Décrire le rôle du condensateur dans le filtrage et utiliser la constante de temps τ
Identifier le rôle et les applications d'un onduleur (DC → AC)
Situation professionnelle — Alimentation d'un automate de régulation
Une technicienne en énergies renouvelables installe un système photovoltaïque avec onduleur. Elle doit comprendre la chaîne de conversion AC→DC→AC pour alimenter les cartes électroniques de régulation et choisir les composants adaptés à l'installation.
Introduction – Pourquoi convertir ?
Le réseau électrique distribue du courant alternatif (230 V / 50 Hz). Pourtant, la quasi-totalité des appareils électroniques (téléphones, ordinateurs, cartes de régulation, automates) fonctionnent en courant continu.
Il faut donc convertir l'énergie : c'est le rôle des alimentations à découpage que l'on trouve dans tous les chargeurs et alimentations de bureau.
Situation professionnelleMétier
Vous installez un variateur de vitesse pour commander la ventilation d'une CTA.
En ouvrant le coffret, vous voyez : un pont de diodes, des condensateurs, puis un onduleur triphasé.
Ce chapitre vous permet de comprendre chaque étape de cette chaîne de conversion.
1. La diode – un composant à sens unique
Définition
Une diode est un composant électronique semi-conducteur qui ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens : de l'Anode (A) vers la Cathode (K).
On peut la comparer à un clapet anti-retour en hydraulique.
1.1 Symbole normalisé de la diode
Symbole normalisé de la diode : le courant conventionnel circule de l'Anode (A) vers la Cathode (K), jamais en sens inverse.
1.2 Deux états de fonctionnement
État
Condition
Comportement électrique
Analogie hydraulique
Passante
Tension appliquée dans le sens A → K
Le courant circule librement
Clapet ouvert
Bloquée
Tension appliquée dans le sens K → A
Aucun courant ne passe
Clapet fermé
Tension de seuil
En pratique, une diode silicium devient passante lorsque la tension anode-cathode dépasse 0,6 à 0,7 V.
Dans les calculs de terminale, ce seuil est souvent négligé (diode idéale).
Attention – tension inverse
Si la tension inverse dépasse la valeur limite indiquée par le fabricant (tension de claquage), la diode est détruite définitivement.
Toujours vérifier la polarité avant de brancher une diode.
Application
Dans un circuit, une diode est reliée à une source de 12 V. Dans le sens A→K, le courant peut-il circuler ? Et dans le sens K→A ?
Dans le sens A→K : la diode est passante → le courant circule (clapet ouvert). Dans le sens K→A : la diode est bloquée → aucun courant (clapet fermé). C'est la propriété fondamentale d'unidirectionnalité de la diode.
2. Redressement simple alternance
Définition
Le redressement est l'opération qui transforme un courant alternatif (qui change de sens périodiquement) en un courant continu (qui ne circule que dans un seul sens).
2.1 Principe avec une seule diode
Lors des alternances positives : la diode est passante → le courant circule, la tension apparaît aux bornes de la charge.
Lors des alternances négatives : la diode est bloquée → aucun courant ne circule, la tension aux bornes de la charge est nulle.
À gauche : tension alternative. À droite : après une diode, seules les alternances positives passent.
Valeur moyenne – simple alternance
\[ \overline{U} = \frac{U_{max}}{\pi} \approx 0{,}318 \times U_{max} \]
\(U_{max}\) : valeur de crête (amplitude) de la tension alternative
Application
Le réseau 230 V a une amplitude \(U_{max} = 230\sqrt{2} \approx 325 \text{ V}\). Calculer la valeur moyenne obtenue après redressement simple alternance.
\(\overline{U} = \dfrac{U_{max}}{\pi} = \dfrac{325}{3{,}14} \approx \mathbf{103 \text{ V}}\). Cette valeur est faible par rapport à 325 V : le redressement simple alternance est peu efficace car il n'exploite qu'une alternance sur deux.
Inconvénient majeur
Le redressement simple alternance n'utilise que la moitié du signal. Le signal obtenu est fortement pulsé. On préfère le pont de Graetz pour une meilleure efficacité.
3. Redressement double alternance – Pont de Graetz
Définition
Le pont de Graetz est un montage de quatre diodes en losange. Il redresse les deux alternances : la tension de sortie est toujours positive, quelles que soient les diodes actives.
3.1 Schéma du pont de Graetz
Pont de Graetz : 4 diodes en losange. La sortie DC est toujours positive.
3.2 Fonctionnement selon l'alternance
Alternance
Diodes passantes
Diodes bloquées
Polarité sortie
Positive (+)
D1 et D4
D2 et D3
Positive
Négative (–)
D2 et D3
D1 et D4
Positive (courant « retourné »)
Valeur moyenne – double alternance
\[ \overline{U} = \frac{2\,U_{max}}{\pi} \approx 0{,}637 \times U_{max} \]
Soit le double du simple alternance — rendement bien meilleur !
Application
Avec le même réseau 230 V (\(U_{max} \approx 325\) V), calculer la valeur moyenne après redressement double alternance (pont de Graetz) et comparer avec le simple alternance.
\(\overline{U}_{DA} = \dfrac{2 \times 325}{\pi} = \dfrac{650}{3{,}14} \approx \mathbf{207 \text{ V}}\). C'est le double de la valeur simple alternance (103 V). Le pont de Graetz exploite les deux alternances → tension moyenne bien plus élevée, plus facile à filtrer.
4. Visualisation interactive – comparaison des signaux
Faites glisser le curseur pour choisir le type de redressement et observer la valeur moyenne obtenue.
325 V
Umax (réseau 230 V)
—
Valeur moyenne U̅
AC
Mode affiché
5. Filtrage par condensateur
Définition
Un condensateur est un composant capable de stocker de l'énergie électrique, puis de la restituer. Branché en parallèle sur la charge après le pont de Graetz, il lisse la tension pulsée pour obtenir une tension quasiment constante.
5.1 Principe du filtrage
Le condensateur se charge rapidement quand la tension du pont dépasse la tension de la charge.
Il se décharge lentement dans la charge entre deux pulses, maintenant la tension à un niveau élevé.
Le condensateur lisse la tension pulsée. Plus C est grand, plus l'ondulation résiduelle est faible.
5.2 La constante de temps τ
\[ \tau = R \times C \]
τ en secondes (s) | R en ohms (Ω) | C en farads (F)
Application
Une alimentation utilise un condensateur de filtrage C = 2 200 μF et une résistance de charge R = 68 Ω. Calculer la constante de temps τ et vérifier si le filtrage est satisfaisant (réseau 50 Hz → T/2 = 10 ms).
Condition : τ = 150 ms ≫ T/2 = 10 ms → oui, le filtrage est efficace. Le condensateur se décharge peu entre deux impulsions.
Condition de bon filtrage
Pour un filtrage efficace, la constante de temps τ doit être très grande devant la demi-période du signal redressé :
\[ \tau = R \times C \gg \frac{T}{2} \]
En France : réseau 50 Hz → T = 20 ms → après pont de Graetz, \(\dfrac{T}{2} = 10 \text{ ms}\).
Exemple numérique
Données : R = 100 Ω, C = 4 700 μF = 4,7 × 10⁻³ F
\[ \tau = 100 \times 4{,}7 \times 10^{-3} = 0{,}47\ \text{s} = 470\ \text{ms} \]
Comme 470 ms ≫ 10 ms → filtrage très efficace.
Ondulation résiduelle
Le condensateur réduit l'ondulation mais ne la supprime pas totalement. Pour une tension parfaitement stable, on ajoute un régulateur de tension en sortie (ex. : composant 7805 pour +5 V).
6. Animation – charge et décharge du condensateur
Faites varier la capacité C pour observer l'effet sur le lissage de la tension de sortie.
2200 μF220 ms
—
Ondulation estimée
—
Tension moyenne
—
Qualité filtrage
7. L'onduleur – du courant continu au courant alternatif
Définition
Un onduleur est un dispositif électronique qui réalise la conversion inverse du redresseur : il transforme une tension continue (DC) en tension alternative (AC), avec fréquence et amplitude librement réglables.
L'onduleur convertit la tension continue en tension alternative de fréquence et d'amplitude contrôlables.
7.1 Applications industrielles et professionnelles
Application
Description
Variateurs de vitesseICCER
L'onduleur alimente un moteur AC à fréquence variable pour régler sa vitesse (ventilateurs CTA, pompes, compresseurs).
Énergie solaire PV
Les panneaux solaires produisent du DC. L'onduleur le convertit en 230 V / 50 Hz pour le réseau ou les appareils.
Onduleur de secours (UPS)
En cas de coupure secteur, une batterie (DC) alimente l'onduleur qui restitue du 230 V AC pour les équipements critiques.
Véhicules électriques
La batterie haute tension (DC) est convertie par un onduleur triphasé pour alimenter le moteur électrique AC.
Climatisation InverterICCER
L'onduleur intégré varie la fréquence du compresseur, adaptant la puissance à la demande réelle et réduisant la consommation.
Rôle clé dans la transition énergétique
L'onduleur est au cœur de la transition énergétique : il permet d'exploiter des sources DC (batteries, panneaux solaires) avec l'ensemble des équipements AC. C'est une technologie incontournable en électrotechnique industrielle.
8. Schéma bilan – chaîne de conversion complète
Chaîne de conversion complète : le 230 V AC est adapté, redressé, filtré, puis délivré en DC stable à l'appareil alimenté.
9. Tableau récapitulatif
Transformation
Sens
Composant(s)
Signal de sortie
Redressement simple alternance
AC → DC partiel
1 diode
Pulsé, moitié du signal, \(\overline{U} \approx 0{,}318\,U_{max}\)
Redressement double alternance
AC → DC complet
Pont de Graetz (4 diodes)
Pulsé à 100 Hz, \(\overline{U} \approx 0{,}637\,U_{max}\)
Filtrage
DC pulsé → DC lissé
Condensateur C
Quasiment continu, faible ondulation (ripple)
Onduleur
DC → AC
Transistors / IGBT
AC à fréquence et amplitude réglables
10. Mini-exercices
Exercice 1 – Valeur moyenne d'un signal redressé
Le réseau monophasé français a une tension efficace U = 230 V.
Calculer la valeur maximale (amplitude) Umax. On rappelle que \(U_{max} = U\sqrt{2}\).
Calculer la valeur moyenne d'un signal redressé simple alternance.
Calculer la valeur moyenne d'un signal redressé double alternance (pont de Graetz).
Pourquoi préfère-t-on le pont de Graetz pour alimenter un appareil électronique ?
4. Avantage du pont de Graetz :
La valeur moyenne est deux fois plus élevée (207 V vs 103 V). Il n'y a plus de temps mort : les deux alternances sont exploitées. Le signal est plus facile à filtrer car les oscillations se répètent deux fois plus vite (100 Hz au lieu de 50 Hz).
Exercice 2 – Constante de temps et filtrage
Une alimentation utilise un pont de Graetz (réseau 50 Hz, soit T = 20 ms) suivi d'un condensateur de filtrage. La résistance de charge est R = 47 Ω.
Calculer la constante de temps τ pour C = 1 000 μF.
Calculer la constante de temps τ pour C = 10 000 μF.
Dans quel cas le filtrage est-il meilleur ? Justifier avec la condition τ ≫ T/2.
Quel est le rôle du régulateur de tension ajouté en sortie ?
Voir la correction
1. τ pour C = 1 000 μF :
\(\tau = R \times C = 47 \times 1000 \times 10^{-6} = 0{,}047 \text{ s} = \mathbf{47 \text{ ms}}\)
Condition : 47 ms > 10 ms → filtrage acceptable mais ondulation visible.
2. τ pour C = 10 000 μF :
\(\tau = 47 \times 10000 \times 10^{-6} = 0{,}47 \text{ s} = \mathbf{470 \text{ ms}}\)
Condition : 470 ms ≫ 10 ms → filtrage très efficace.
3. Meilleur filtrage :
C = 10 000 μF car τ = 470 ms est beaucoup plus grand devant T/2 = 10 ms. Le condensateur se décharge très peu entre deux pulses → tension presque constante.
4. Régulateur de tension :
Il supprime l'ondulation résiduelle et maintient une tension de sortie parfaitement stable (ex. : 5 V fixe quelle que soit la charge), ce que le condensateur seul ne peut pas garantir.
Exercice 3 – Identification du pont de Graetz
Un technicien mesure les tensions aux 4 bornes d'un composant inconnu branché entre le secteur 230 V AC et une charge DC :
Bornes AC : tension alternative sinusoïdale 230 V / 50 Hz
Bornes DC : tension toujours positive, pulsée à 100 Hz, amplitude ≈ 325 V
De quel composant s'agit-il ? Combien de diodes comporte-t-il ?
Pourquoi la fréquence de pulsation en sortie est-elle 100 Hz (et non 50 Hz) ?
Calculer la valeur moyenne de la tension de sortie.
Le technicien mesure ensuite 295 V DC en sortie après un condensateur. Le filtrage est-il efficace ? Comparer avec la valeur théorique.
Voir la correction
1. Composant :
Il s'agit d'un pont de Graetz (ou pont de diodes), composé de 4 diodes.
2. Fréquence 100 Hz :
Le pont redresse les deux alternances. La tension de sortie monte et descend deux fois par période du signal d'entrée → 2 × 50 Hz = 100 Hz.
4. Efficacité du filtrage :
Valeur mesurée : 295 V DC. La tension est beaucoup plus proche de Umax (325 V) que de la valeur moyenne théorique (207 V) → le condensateur remonte la tension en maintenant le niveau proche du pic. Le filtrage est efficace (écart faible par rapport à 325 V).
Exercice 4 – Variateur de vitesse en installation thermiqueMétier
Un variateur de vitesse pour ventilateur de CTA comprend la chaîne suivante :
Réseau 230 V / 50 Hz → Pont de diodes → Condensateur → Onduleur → Moteur triphasé
Quelle est la valeur maximale de la tension DC après le pont (avant condensateur) ?
À quoi sert le condensateur dans ce variateur ?
Le moteur doit tourner à 60 % de sa vitesse nominale. Quelle fréquence l'onduleur doit-il générer si la vitesse nominale correspond à 50 Hz ?
Quel est l'avantage d'un variateur par rapport à un simple interrupteur marche/arrêt pour une installation de ventilation ?
2. Rôle du condensateur :
Il filtre (lisse) la tension DC pulsée issue du pont de diodes pour fournir à l'onduleur une tension continue et stable, indispensable à son bon fonctionnement.
3. Fréquence pour 60 % de vitesse :
La vitesse d'un moteur AC est proportionnelle à la fréquence de l'alimentation :
\(f_{sortie} = 0{,}60 \times 50 = \mathbf{30 \text{ Hz}}\)
4. Avantage du variateur :
Un ventilateur à vitesse variable consomme beaucoup moins d'énergie : la puissance absorbée est proportionnelle au cube de la vitesse (loi des ventilateurs). À 60 % de vitesse, la puissance est réduite à \(0{,}60^3 \approx 0{,}22\), soit seulement 22 % de la puissance nominale. C'est un gain énergétique considérable par rapport à un fonctionnement tout-ou-rien.
Pont de Graetz → 4 diodes, exploite les 2 alternances
Condensateur → filtre les pulses, lisse la tension
Onduleur → DC → AC, fréquence réglable
Variateur Inverter → économie d'énergie importante
Référence BO : Terminale Bac Pro — Groupement 1 — Physique-Chimie : « Obtenir un courant continu à partir d'un courant alternatif et inversement ». Connaissances exigibles : rôle d'une diode et d'un pont de diodes ; redressement (AC → DC) ; rôle du condensateur (filtrage) ; rôle de l'onduleur (DC → AC).
Erreurs fréquentes
❌
Inverser anode et cathode Brancher une diode dans le mauvais sens la rend bloquée et aucun courant ne circule — ou pire, si la tension inverse dépasse le seuil de claquage, la diode est détruite définitivement. Conseil : repérer le marquage de la cathode (trait blanc sur le composant) avant toute connexion.
❌
Confondre valeur efficace et valeur maximale U = 230 V est la valeur efficace. La valeur maximale (amplitude) est \(U_{max} = 230\sqrt{2} \approx 325\) V. Les formules de valeur moyenne utilisent U_max, pas la valeur efficace. Conseil : toujours calculer U_max = U × √2 avant d'appliquer les formules.
❌
Oublier l'unité de C lors du calcul de τ La capacité C doit être convertie en farads (F) dans τ = R × C. 1 μF = 10⁻⁶ F. Oublier ce facteur donne un résultat mille fois trop grand. Conseil : vérifier systématiquement la conversion μF → F avant de calculer τ.
❌
Croire que le condensateur suffit à stabiliser la tension Le condensateur réduit l'ondulation mais ne la supprime pas. Pour une tension parfaitement stable, il faut ajouter un régulateur de tension en sortie du pont de Graetz. Conseil : le schéma complet d'une alimentation est : transformateur → pont → condensateur → régulateur.