Les alimentations : principes et fonctionnement - L'électronique pour le musicien partie 20

En préam­bule, je signale que dans ces articles nous évite­rons de parler des alimen­ta­tions à décou­page. Certes, on en trouve pour­tant couram­ment aujour­d’hui, en parti­cu­lier dans des appa­reils qui traitent des signaux numé­riques mais, aupa­ra­vant, elles étaient géné­ra­le­ment absentes des appa­reils analo­giques, appa­reils dont proviennent la majo­rité des exemples auxquels nous faisons appel dans cette série.

Trève de préam­bule : cette semaine, nous allons tenter te donner un aperçu rapide de ce que fait une alimen­ta­tion, ce que l’on attend d’elle, et des défauts qu’elle cherche à éviter ou à élimi­ner.

Prin­cipes de base

Dès qu’il y a fonc­tion­ne­ment élec­tro­nique, il y a la néces­sité d’une alimen­ta­tion. Si un appa­reil doit « four­nir » une éner­gie à sa sortie (sous la forme par exemple de la mise en mouve­ment d’un haut-parleur), il faut qu’il puise d’abord cette éner­gie quelque part. L’éner­gie, et donc la puis­sance, four­nie à la sortie de l’ap­pa­reil proviennent donc origi­nel­le­ment du « secteur », puis traverse l’ali­men­ta­tion, qui la condi­tionne et la redis­tri­bue dans la tota­lité du circuit de l’ap­pa­reil.

De ce fait, la première exigence pour tout circuit d’ali­men­ta­tion, c’est d’être dimen­sionné de manière à pouvoir four­nir cette éner­gie avec un mini­mum de pertes (dissi­pées prici­pa­le­ment sous forme de chaleur). Nous parlons à ce propos de rende­ment.

On peut défi­nir tout circuit d’ali­men­ta­tion selon trois objec­tif néces­saires :

• L’objec­tif basique d’une alimen­ta­tion dans un appa­reil élec­tro­nique et en premier lieu de conver­tir la tension secteur en une ou plusieurs tensions adéquates pour le fonc­tion­ne­ment de l’ap­pa­reil. Ces tensions peuvent être aussi bien infé­rieures (ce qui est géné­ra­le­ment le cas dans les appa­reils à tran­sis­tor) que supé­rieures (comme souvent dans les appa­reils à tube) à la tension secteur.
• En deuxième lieu, notre alimen­ta­tion a pour fonc­tion le redres­se­ment et le filtrage : c’est-à-dire de conver­tir une tension alter­na­tive (tension CA) en une tension conti­nue (tension CC).
• En troi­sième lieu, une alimen­ta­tion bien conçue a pour fonc­tion de régu­ler les tensions et les courants qu’elle four­nit au reste du circuit. Cette régu­la­tion a pour but de limi­ter la repro­duc­tion des varia­tions du « secteur » dans l’ap­pa­reil.

Ce sont les trois fonc­tions de base d’une alimen­ta­tion. Il y a bien évidem­ment d’autres éléments que l’on exigera d’une alimen­ta­tion (bon rendem­ment, limi­ta­tion des rayon­ne­ments magné­tiques…) mais pour cette semaine, on se concen­trera sur les deux premiers points évoqués ci-dessus, en étudiant les solu­tions qui ont été trou­vées pour répondre à ces exigences.

Première étape : Trans­for­ma­tion

Comme le titre de cette partie l’in­dique, nous allons bien évidem­ment parler de trans­for­ma­teur. Je vous renvoie immé­dia­te­ment à la courte partie que nous lui avions consa­cré dans l’ar­ticle sur les induc­tances.

Comme je l’avais alors expliqué, un trans­for­ma­teur fonc­tionne selon un prin­cipe de rapport : deux bobines se font face, leurs nombres de spires (d’en­rou­le­ments) ne sont pas égaux. Une tension est appliquée à l’en­rou­le­ment d’en­trée, que l’on nomme le primaire, et une seconde tension appa­rait aux bornes de l’en­rou­le­ment de sortie, que l’on nomme le secon­daire. Le rapport du nombre de spires entre le primaire et le secon­daire (par exemple 2 pour 1) se retrou­vera dans la trans­for­ma­tion de la tension : dans notre exemple une tension d’en­trée de 220 V nous donnera 110 V en sortie.

Comme précisé aupa­ra­vant, ce compor­te­ment est large­ment théo­rique, étant donné que dans la réalité les trans­for­ma­teurs sont sujets à de nombreuses pertes et inter­ac­tions, qui joue­ront sur leur effi­ca­cité réel.

Un trans­for­ma­teur a égale­ment pour inté­rêt de permettre l’iso­la­tion galva­nique entre le primaire et le secon­daire, et donc entre le secteur et le reste du circuit.

Une fois cette présen­ta­tion très basique faite, reste à préci­ser qu’un trans­for­ma­teur à plusieurs modes de connexion. En premier lieu, les trans­for­ma­teurs peuvent présen­ter plusieurs connexions au primaire. Comme on le voit bien sur la photo ci-contre, les primaires de ce trans­for­ma­teur permettent de s’adap­ter à plusieurs tensions secteur (chaque primaire propose 104, 110 ou 120 V), selon par exemple le pays où l’on utilise l’ap­pa­reil. comme il y a deux primaires, s’ils sont en plus montés en série, on obtient plus de combi­nai­sons : 110 + 120 = 230 V, 120 + 120 = 240 V… Ici, chaque primaire n’est alors consti­tué que d’un seul enrou­le­ment mais, comme on le voit repré­senté sur le dessin laté­ral, plusieurs déri­va­tions en partent. Pour la tension maxi­male, l’in­té­gra­lité de l’en­rou­le­ment sera utilisé, pour des tensions infé­rieures seule­ment une partie (chaque fois plus petite) de l’en­rou­le­ment.

Pour ce qui est du secon­daire, les mêmes montages sont possibles. On peut, par exemple, y trou­ver un point central de déri­va­tion : celui-ci, une fois relié à la masse, permet d’uti­li­ser un seul enrou­le­ment pour géné­rer une tension bipo­laire (en français on parle parfois d’ali­men­ta­tion frac­tionné). Le point central est à 0 V (masse) les deux bornes exté­rieures de l’en­rou­le­ment présentent deux tensions alter­na­tives (ici, j’ai mis arbi­trai­re­ment 40 V), mesu­rée chacune par rapport à cette masse, et en oppo­si­tion de phase.

On peut égale­ment trou­ver, dans de nombreux appa­reils, des trans­for­ma­teurs avec plusieurs secon­daires. Ci-dessous l’exemple d’un vieux trans­for­ma­teur venu d’un ampli à tubes Geloso, sur lequel sont clai­re­ment indiquées (entou­rées en vert) diffé­rentes tensions primaires (ainsi que leurs cosses de raccor­de­ment), puis diffé­rents secon­daires (en rouge), four­nis­sant diffé­rentes tensions, et servant à alimen­ter diffé­rentes parties du circuit. Dans l’exemple ci-dessous, la tension la plus élevée (317 V) servira à alimen­ter les anodes des tubes, tandis que la tension 6,2 volts, servira seule­ment à alimen­ter leurs fila­ments (la partie que vous voyez briller dans les tubes de vos amplis).

Deuxième étape : Redres­se­ment

Le redres­se­ment (recti­fying en anglais) consiste en la trans­for­ma­tion du signal CA à la sortie du transfo en une pulsa­tion conti­nue.

Ce redres­se­ment s’ef­fec­tue grâce à des diodes, qui peuvent été implé­men­tées selon trois formes prin­ci­pales : le redres­se­ment simple alter­nance, le redres­se­ment double alter­nance, et le redres­se­ment double par pont de Graetz.

Le redres­se­ment simple alter­nance est rare­ment utilisé dans les appa­reils audio, à l’ex­cep­tion notable des ampli­fi­ca­teurs à tube, dans lesquels on l’uti­lise pour une fonc­tion : le redres­se­ment de la tension de pola­ri­sa­tion grille des tubes de puis­sance, plus connue sous le nom de tension de biasing.

Nous nous concen­tre­rons donc, dans cette partie, sur le redres­se­ment double alter­nance, implé­menté soit à l’aide de deux diodes, soit à l’aide d’un pont de quatre diodes (Pont de Graetz).

Comment ça marche ?

On peut conce­voir le phéno­mène d’un signal alter­na­tif, à la sortie d’un trans­for­ma­teur, comme l’al­ter­nance de ses pôles vers le posi­tif et le néga­tif (voir image ci-contre). Quand le pôle 1 devient posi­tif, le pôle 2 devient néga­tif, et inver­se­ment, encore et encore. Vous remarque­rez que pour commen­cer, j’ai pris un trans­for­ma­teur avec une déri­va­tion centrale (center tap)

Cette déri­va­tion va être reliée à la masse, et sera donc main­te­nue à 0V. C’est par elle que le courant aura un point de retour : autre­ment dit, elle ferme véri­ta­ble­ment le circuit : on peut partir de n’im­por­ter qu’elle borne et faire une boucle à travers la résis­tance, qui repré­sente la charge alimen­tée. Grâce aux deux diodes, chacune instal­lée en série avec une des bornes du secon­daire, on va pouvoir tirer parti de cette alter­nance posi­tif-néga­tif : chaque fois qu’une diode verra une tension posi­tive à ses bornes, elle lais­sera passer le courant, tandis que l’autre verra une tension néga­tive, et bloquera le courant. Lorsque le sens du courant alter­nera, les rôles de diode conduc­trice et bloquante s’in­ver­se­ront.

Ainsi à la sortie de notre circuit, la charge (symbo­li­sée ici par une résis­tance, mais qui en réalité sera consti­tuée de tous les éléments du circuit raccor­dés à l’alim) sera traver­sée par un courant qui n’al­ter­nera pas, qui ira toujours dans le même sens avec un même retour à travers la déri­va­tion centrale : un courant continu, mais qui pren­dra la forme d’une série de pulsa­tions posi­tives.

Dans le cas d’un trans­for­ma­teur sans déri­va­tion centrale, on utili­sera un pont de 4 diodes. Le prin­cipe de l’al­ter­nance posi­tive/néga­tive à la sortie du trans­for­ma­teur reste simi­laire.

Lorsque la borne du haut devient posi­tive les diodes D1 et D3 deviennent conduc­trices, les diodes D2 et D4 bloquent le passage du courant. Lorsque la pola­rité à la sortie du trans­for­ma­teur s’in­verse, le passage du courant s’in­verse égale­ment : ce sont désor­mais les diodes D2 et D4 qui le laisse passer. À la sortie de ce circuit le phéno­mène est le même que précé­dem­ment : le courant à travers la charge (R1) ira toujours dans le même sens quelles que soient l’al­ter­nance aux bornes du secon­daire. J’ajoute ici le lien vers ce gif, sorti tout droit de Wiki­pé­dia, et qui reste à mon avis une des meilleures simu­la­tions visuelles du phéno­mène.

Un pont de diode, dans la réalité, peut être créé en raccor­dant quatre diodes, ou en utili­sant direc­te­ment un compo­sant qui les contient : 

Et main­te­nant que faire de ce courant pulsé ?

Troi­sième étape : Filtrage

Le signal pulsée que nous obte­nons peut-être compris comme rassem­blant une compo­sante conti­nue avec un carac­tère venu du courant alter­na­tif : le courant ne présente plus de chan­ge­ment de sens, mais garde une varia­tion dans le temps. Pour obte­nir à partir de ce courant pulsée, une vraie alimen­ta­tion conti­nue, il va être néces­saire de filtrer (c’est-à-dire d’éli­mi­ner) le carac­tère alter­na­tif. Comment réalise-t-on cela ?

Le premier élément sur lequel nous pouvons comp­ter pour ce filtrage est le conden­sa­teur. Comme nous l’avons déjà vu dans ces colonnes, un conden­sa­teur n’a pas le même compor­te­ment avec un courant CC ou CA, et il peut servir à bloquer l’un, ou à élimi­ner l’autre. Dans notre cas, on va instal­ler un conden­sa­teur en mode shunt, c’est-à-dire en paral­lèle avec la sortie du pont de diodes, entre le signal et la masse.

Dans cette confi­gu­ra­tion, le conden­sa­teur va se char­ger durant la montée de la pulsa­tion, atteindre sa charge maxi­male au moment de la crête de la pulsa­tion, puis se déchar­ger lorsque la pulsa­tion dimi­nuera. Ainsi lorsque la tension retourne à zéro, le conden­sa­teur délivre sa charge, et une tension presque équi­va­lente à la tension crête appa­raît alors à ses bornes. On peut simpli­fier cela en disant que le conden­sa­teur « prend le relais » de la pulsa­tion, et permet de main­te­nir une tension plus ou moins constante. C’est pour cela que l’on dit souvent qu’un conden­sa­teur a pour parti­cu­la­rité de s’op­po­ser aux chan­ge­ments rapides de tension (nous avions vu cette notion dans notre article sur l’im­pé­dance).

Comme on le voit sur l’image ci-contre, on obtient aux bornes du conden­sa­teur un signal qui n’a pas tout à fait la forme d’une tension CC, car elle présente une ondu­la­tion (ripple en anglais). Pour amélio­rer le résul­tat, il va falloir augmen­ter soit la capa­cité du conden­sa­teur, soit le nombre de conden­sa­teurs (ce qui revient à peu près au même). Toute­fois, en faisant cela, on crée un problème : à la mise en marche de l’ali­men­ta­tion, cette grande capa­cité va créer un impor­tant appel de courant, qui risque de dépas­ser le courant admis­sible des diode de redres­se­ment. Il est donc néces­saire de limi­ter le courant dans ce circuit.

Pour se faire, deux solu­tions existent :

La meilleure consiste à utili­ser une induc­tance en série. Comme nous l’avions vu précé­dem­ment, une auto-induc­tance (choke en anglais) aura un effet simi­laire à celui du conden­sa­teur, mais sur l’in­ten­sité du courant : elle s’op­pose à ses varia­tions rapides. Ainsi, dans notre circuit, l’auto-induc­tance limi­tera le pic de courant, en plus de four­nir un lissage supplé­men­taire de l’on­du­la­tion. Cette solu­tion est parti­cu­liè­re­ment pratique lorsque l’on doit limi­ter la taille des conden­sa­teurs (par exemple, dans un ampli dont le redres­se­ment se fait par tube). L’auto-induc­tance a toute­fois deux défauts : son coût (les induc­tances sont chères) et sa place (elles sont grosses).

Une solu­tion moins coûteuse et plus discrète consiste à utili­ser des résis­tances en série, pour limi­ter le courant dans le circuit. Le défaut prin­ci­pal de ce montage est que les résis­tances, en s’op­po­sant au passage du courant, vont dissi­per, sous forme de chaleur, une partie de la puis­sance déli­vrée par le circuit : elles occa­sionnent donc des pertes plus impor­tantes que les induc­tances.

Quelle que soit la solu­tion choi­sie, on pourra faire s’en­chaî­ner les induc­tance ou les résis­tances en série, ou les deux (c’est souvent la meilleure solu­tion), et ainsi on obtien­dra des divi­seurs de tension : comme on le voit sur le schéma ci-dessus, l’en­chaî­ne­ment des résis­tances (ou des induc­tances) crée un divi­seur : le point central entre les résis­tance four­nira une tension parti­cu­lière, le point entre la senconde résis­tance série, et la résis­tance de charge, une autre tension (plus basse). Ainsi, notre alimen­ta­tion déli­vrera diffé­rentes tensions, pour diffé­rentes parties du circuit…

La semaine prochaine nous abor­de­rons la régu­la­tion de tension et de courant, et nous commençons à jeter un oeil aux alimen­ta­tion bipo­laires.