Présentationt
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Dans cet article on va décrire une méthode permettant d’obtenir une basse tension à partir du secteur 230 V, sans faire appel à un transformateur abaisseur style 230 V / 12 V. Il s’agit d’une méthode largement utilisée dans des circuits électroniques basse consommation, tels les minuteries d’escalier, les veilleuses à LED, les sonnettes …
Principe de fonctionnement de l'alimentation sans transformateur
Comme son nom l’indique, un circuit d’alimentation sans transformateur fournit une faible tension continue à partir de la haute tension alternative du réseau électrique, sans utiliser aucune forme de transformateur ou d’inductance.
Le principe de base d’une alimentation sans transformateur repose sur la réactance capacitive d’un condensateur. La réactance capacitive est simplement la « résistance » que le condensateur oppose au passage du courant électrique, et qui dépend d’une part de la fréquence du signal qui le traverse, et d’autre part de la valeur (capacité) du condensateur lui-même. En résumé, on se sert du condensateur un peu comme d’une résistance, pour limiter le courant et faire chuter une tension, à une fréquence bien précise.
Avantages de l'alimentation sans transformateur
Très économique, pertes de puissance minimes, volume réduit qui rendre l’appareil compact, protection automatique contre les court-circuits accidentels en sortie. La tension de sortie stabilisée.
Le système est peu coûteuse mais très efficace pour les applications qui nécessitent une faible consommation d’énergie pour fonctionner.
Le circuit d’alimentation sans transformateur décrit ici remplace très efficacement un transformateur classique pour les applications nécessitant un courant inférieur à 100 mA.
Inconvénients d'un circuit d'alimentation sans transformateur
Premièrement, le circuit est incapable de produire des courants de sortie élevés, mais cela ne posera pas de problème pour la plupart des applications.
Un autre inconvénient qui mérite certainement d’être pris en compte est que ce concept n’isole pas le circuit des potentiels dangereux du réseau électrique, d’où risque plus grands d’électrocution (persistance de 230 V dans le montage alimenté, par rapport à la terre),
Cet inconvénient peut avoir de graves conséquences pour les conceptions comportant des sorties terminées ou des boîtiers métalliques, mais n’aura aucune importance pour les unités dont tous les composants sont recouverts d’un boîtier non conducteur.
Calcul de la valeur du condensateur
Première façon de calculer
Cette première formule permet d’exprimer directement la réactance du condensateur en fonction de sa valeur et de la fréquence du signal qui le traverse :
Xc = 1 / (wc)
Où :
Xc est la réactance en ohms (Ω),
w est la pulsation (égale à: 2 * π * Freq, Freq en Hertz)
C est la valeur du condensateur en Farad.
La formule peut donc aussi s’écrire de la façon suivante :
Xc = 1 / (2 * π * F * c)
Où :
Xc est la réactance en ohms (Ω),
π = 3.14
F est la fréquence en Hertz,
C est la valeur du condensateur en Farad
A la fréquence de 50 Hz, qui est celle du réseau publique, le condensateur permet de laisser passer un courant de quelques mA par « paquet » de 100 nF.
Exemple N° 1
Usage d’un condensateur de 470 nF (0.00000047 Farad) à la fréquence de 50 Hz :
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.00000047) = 6776 ohms
Si tension d’entrée = 230 V et tension de sortie = 12 V, alors
I = (230 – 12) / 6776 = 32 mA
Si tension d’entrée = 230 V et tension de sortie = 24 V, alors
I = (230 – 24) / 6776 = 30 mA
Exemple N° 2
Usage d’un condensateur de 1 uF (0.000001 Farad) à la fréquence de 50 Hz :
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.000001) = 3184 ohms
Si tension d’entrée = 230 V et tension de sortie = 12 V, alors
I = (230 – 12) / 3184 = 68 mA
Si tension d’entrée = 230 V et tension de sortie = 24 V, alors
I = (230 – 24) / 3184 = 65 mA
Exemple N° 3
Usage d’un condensateur de 330nf (0.00000033 Farad) à la fréquence de 50 Hz :
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.00000033) = 9651 ohms
Si tension d’entrée = 230 V et tension de sortie = 12 V, alors
I = (230 – 12) / 9651 = 22 mA
Si tension d’entrée = 230 V et tension de sortie = 24 V, alors
I = (230 – 24) / 9651 = 21 mA
Exemple N° 4
Usage d’un condensateur de 1 uF (0.000001 Farad) à la fréquence de 50 Hz :
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.000001) = 3184 ohms
Si tension d’entrée = 230 V et tension de sortie = 0 V (court-circuit), alors
I = (230 – 0) / 3184 = 72 mA
Par rapport à l’exemple N° 2 (même valeur de condensateur), on constate que le courant est à peine supérieur et qu’il ne prend pas des proportions extrêmes. On a en quelque sorte une limitation de courant naturelle.
Deuxième façon de calculer
Calcul direct de la valeur du condensateur, en connaissant tension de sortie U et courant de sortie I désirés :
C = I / (2 * π * F * c)
C = I / (2 * 3.14 * 50 * (230 – U))
Pour le réseau 230 V / 50 Hz, la formule peut être simplifiée de la façon suivante :
C = I / (314 * (230 – U))
Où :
C est la valeur du condensateur en Farad,
I est le courant maximal de sortie désiré en Ampères (A)
U est la tension de sortie désirée en Volts (v)
Remarque : la valeur de la tension secteur et de la tension de sortie U étant exprimée ici en valeur efficace , le courant I sera lui aussi exprimé en valeur efficace. Pour déterminer la valeur de C en fonction du courant crête maximum désiré, il faudrait utiliser la formule suivante :
C = I / (314 * (325 – U))
Bien sûr, la valeur calculée de C est plus faible si on exprime le courant I en valeur crête.
Pour une tension de sortie U de faible valeur (inférieure ou égale à 15 V), on pourrait presque utiliser la formule simplifiée suivante :
C = I / (314 * 325)
Dans les exemples qui suivent, la tension du secteur et l’intensité du courant sont exprimées en valeur efficace.
Exemple N° 1
On veut U = 12 V et I = 50 mA
C = 0.05 / (314 * (230 – 12))
C = 730 nF (on prend la valeur normalisée de 820 nF)
Exemple N° 2
On veut U = 24 V et I = 110 mA
C = 0.11 / (314 * (230 – 24))
C = 1,7 uF (valeur normalisée 1.8 uF)
On peut aussi retourner la formule pour connaître le courant max en fonction de la valeur du condensateur :
I = 2 * 3.14 * F * C * Uc
ou en simplifié pour le réseau 230 V / 50 Hz :
I = 314 * C * Uc
Où :
Uc correspond à la tension aux bornes du condensateur chuteur (230 V – tension de sortie désirée)
Exemple N° 3
On veut connaître I max pour une tension de sortie U de 12 V, si on utilise un condensateur de 1 uF
I = 314 * 0.000001 * (230 – 12) = 68 mA
Etude pratique d'un circuit d'une alimentation sans transformateur
AVERTISSEMENT : AUCUN DES CIRCUITS MENTIONNÉS DANS CET ARTICLE N’EST ISOLÉ DU RÉSEAU COURANT. PAR CONSÉQUENT, TOUTES LES SECTIONS DU CIRCUIT SONT EXTRÊMEMENT DANGEREUSES À TOUCHER LORSQU’ELLES SONT BRANCHÉES AU RÉSEAU COURANT.
Essayons de comprendre plus en détail la fonction de chacun des composants utilisés dans le circuit ci-dessus :
Le condensateur C1 est l’élément le plus important du circuit, lorsque le courant alternatif du réseau entre dans ce condensateur, en fonction de la valeur de ce dernier, la réactance du condensateur entre en action et empêche le courant alternatif du réseau de dépasser le niveau donné, tel que spécifié par la valeur du condensateur.
En règle générale, chaque microfarad de capacité de ce condensateur fournit environ 50 mA à la charge de sortie. Ainsi, un condensateur de 2 µF fournira 100 mA, et ainsi de suite.
Cependant, bien que le courant soit limité, la tension ne l’est pas ; par conséquent, si vous mesurez la tension de sortie redressée d’une alimentation sans transformateur, vous constaterez qu’elle est égale à la valeur de crête du courant alternatif du secteur, soit environ 310 V , ce qui pourrait être alarmant pour tout nouvel amateur.
La tension nominale de ce condensateur est choisie de manière à ce que sa tension de crête efficace soit bien supérieure à la tension de crête du réseau électrique afin de garantir son fonctionnement en toute sécurité.
– La résistance R1 sert à assurer la décharge du condensateur haute tension C1 lorsque le circuit est débranché du secteur. En effet, C1 peut conserver une tension de 220 V lorsqu’il est déconnecté, ce qui pourrait provoquer une électrocution en cas de contact avec les broches de la prise. La résistance R1 décharge rapidement C1, évitant ainsi tout accident.
– Les diodes D1 à D4 fonctionnent comme un pont redresseur pour convertir le courant alternatif de faible intensité provenant du condensateur C1 en un courant continu de faible intensité. Le condensateur C1 limite le courant , mais ne limite pas la tension. Cela signifie que la tension continue à la sortie du pont redresseur correspond à la valeur de crête du courant alternatif de 220 V. On peut la calculer comme suit : 220 × 1,41 ≈ 310 V. On obtient donc une tension de 310 V à la sortie du pont.
– La diode Zener DZ; une tension continue de 310 V peut être trop élevée pour tout appareil basse tension, à l’exception d’un relais. C’est pourquoi une diode Zener de capacité appropriée est utilisée pour abaisser la tension continue de 310 V à la valeur souhaitée, par exemple 12 V, 5 V, 24 V, etc., en fonction des spécifications de la charge.
La puissance de la diode Zener doit être choisie en fonction du niveau de courant admissible provenant du condensateur.
– La résistance R2 sert à limiter le courant . Vous vous demandez peut-être pourquoi R2 est nécessaire, puisque C1 limite déjà le courant. En effet, lors de la mise sous tension (c’est-à-dire lorsque le courant alternatif est appliqué au circuit), le condensateur C1 se comporte comme un court-circuit pendant quelques millisecondes. Ces quelques millisecondes permettent au courant de 220 V alternatif de pénétrer dans le circuit, ce qui peut suffire à endommager le système. R2 permet d’éviter cela
– Le C2 est le condensateur de filtrage, qui lisse les ondulations de 100 Hz du pont redressé pour obtenir un courant continu plus propre. Sa valeur peut être comprise entre 100uF/25V et 1000uF/25V.
Comment calculer le circuit ci-dessus
Hypothèses :
Supposons que nous disposions des paramètres suivants :
Tension de sortie (Vout) : 12 V CC.
Courant de sortie (Iout) : 100 mA.
Tension d’entrée CA : 230 V ou 120 V.
Tension de la diode Zener (DZ ): 12V.
Fréquence : 50 Hz (pour 230 V) ou 60 Hz (pour 120 V).
Étape 1 : Courant traversant le condensateur C1
Le condensateur C1 limite le courant dans le circuit. Le courant traversant un condensateur dans un circuit alternatif se calcule à l’aide de la formule :
Ic = Vac × 2 × π × f × C1
Où:
V ac = tension aux bornes du condensateur (approximativement égale à la tension alternative d’entrée).
f = fréquence AC (50 Hz ou 60 Hz).
C 1 = Capacité en farads.
Pour fournir un courant de sortie I de 100 mA, le courant de court-circuit I requis doit être légèrement supérieur afin de compenser les pertes et la chute de tension de la diode. On supposera I≈ 110 mA.
Étape 2 : Calculer C1
En utilisant la formule pour C 1 :
C1 = Ic / (2 × π × f × Vac)
Pour 230 V (50 Hz) :
C₁ = 0,11 / (2 × 3,1416 × 50 × 230) ≈ 1,52 µF
Pour 120 V RMS (60 Hz) :
C₁ = 0,11 / (2 × 3,1416 × 60 × 120) ≈ 2,43 µF
Choisissez des valeurs standard : 1,5 µF (pour 230 V) ou 2,5 µF (pour 120 V) . Utilisez un condensateur de classe X supportant au moins 400 V CA.
Étape 3 : Résistances de sécurité R1 et R2
La résistance R1 décharge C1 lorsque le circuit est mis hors tension. La constante de temps de décharge (τ) est donnée par :
τ = R1 × C1
Pour un temps de décharge de 1 seconde:
R1 = τ / C1
Pour C1 = 1.5µF (230V):
R1 = 1 / (1.5 × 10-6) ≈ 666,667Ω (use 680kΩ standard value).
Utilisez une résistance de 680 kΩ pour R 1 d’une puissance nominale d’au moins 1/4 W.
Étape 7 : Résistance série optionnelle R3
La résistance R2 limite le courant d’appel au démarrage. Utilisez une valeur d’environ 10 Ω pour une puissance de 1 W.
Étape 4 : Diode Zener DZ
La diode Zener régule la tension de sortie. Pour une sortie de 12 V, utilisez une diode Zener avec :
Tension Zener : 12 V.
Puissance nominale : Au moins 0,5 W.
La puissance dissipée dans la diode Zener est :
Pz = (Ic – Iout) × Vz
Valeurs de substitution :
P z = (0,11 – 0,1) × 12 ≈ 0,12W
Choisissez une diode Zener d’une puissance nominale de 0,5 W pour plus de fiabilité.
Étape 5 : Diodes redresseuses (D1 à D4)
Utilisez des diodes 1N4007 pour le redressement. Elles sont conçues pour un courant de 1 A et une tension inverse de 1000 V, suffisante pour ce circuit.
Étape 6 : Condensateur de lissage C2
Le condensateur de lissage filtre le signal redressé. Pour réduire l’ondulation de tension, utilisez la formule :
Vripple = Iout / (f × C2)
Vripple est la tension d’ondulation correspond à la variation périodique résiduelle de la tension continue issue d’une source alternative.
Réorganisation pour C2 :
C2 = Iout / (f × Vripple)
Pour Vripple = 1V (acceptable pour 12V output):
C2 = 0.1 / (100 × 1) = 1000µF
Choisissez un condensateur d’une tension nominale d’au moins 25 V.
Valeurs finales des composants :
C1 : 1,5 µF (pour 230 V) ou 2,5 µF (pour 120 V), condensateur de classe X.
R1 : 680 kΩ, 1/4 W chacun.
DZ : diode Zener 12 V, 0,5 W.
C2 : condensateur électrolytique de 1000 µF, 25 V.
D1 à D4 : diodes 1N4007.
R2: 10Ω, 1W.
Conclusion
En conclusion, l’alimentation sans transformateur 12 V décrite offre une alternative à l’utilisation d’une résistance en série pour la chute de tension ou un transformateur, grâce à l’emploi d’un condensateur en série et d’un pont redresseur. L’utilisation judicieuse d’une diode Zener permet un redressement plus efficace. Il est impératif de toujours respecter les consignes de sécurité lors de toute intervention sur des circuits connectés au secteur
