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Les alimentations secteur sans transformateur offrent une alternative économique et compacte aux solutions traditionnelles pour alimenter des circuits basse consommation. Elles sont particulièrement intéressantes lorsque l'utilisation d'un transformateur ou d'une alimentation à découpage n'est pas justifiée en termes de taille et de coût. Cet article explore le fonctionnement de ces alimentations, en mettant l'accent sur les alimentations capacitives.
Le principe d'une alimentation sans transformateur repose sur la réactance capacitive d'un condensateur. On utilise le condensateur pour limiter le courant et faire chuter une tension. Cette réactance est Zc = 1 / C.ω. En Europe la fréquence du courant est 50 Hz et Zc = 1 / (100.π.C).
Le principe est d'utiliser la réactance d'un condensateur qui consomme uniquement de l'énergie RÉACTIVE en lieu et place d'un pont diviseur avec résistances qui lui, consomme de l'énergie ACTIVE seulement. Pour rappel, l'énergie réactive en elle-même ne produit pas de chaleur ! La réactance est donnée ainsi Z=1/Cw et s'exprime en ohms également. Avec C exprimé en Farads et w (oméga) =2*pi*f=628.31Pour rester simple on admettra un condensateur parfait sans fuites, mais on le verra ce n'est pas toujours le cas. Le principe est donc le schéma général d'une régulation par diode Zener.
En courant alternatif, Z1 est "remplacée" par C1 qui est ce fameux condensateur. Nota : la réactance est équivalente à l'impédance dans le cas d'un condensateur parfait. L'impédance caractérise tout élément simple ou association d'éléments simples ayant diverses résistances selfs et condensateurs parasites en séries et ou en //. Le condensateur C1 est donc le cœur d'un montage sans transformateur. On notera que le courant qui traverse le condensateur devrait normalement se retrouver pour une part importante dans la charge, c'est-à-dire l'utilisation ! C'est le but final, car le reste n'est que de la perte d'énergie ! Ainsi une petite partie devra traverser la Zener pour qu'il puisse y avoir régulation de la tension.
On voit tout de suite également que le court-circuit de la charge n'entraîne aucune action destructrice, car on retrouve alors simplement un condensateur aux bornes du réseau, ce qui revient à "compenser le cosinus phi" !!! Ce condensateur C1 du fait qu'il a à supporter une tension élevée sera assez volumineux, mais c'est la rançon du poids gagné ! Le choix de ce composant est important. On recommande de choisir une classe de tension X2.
Le schéma présenté correspond à une lampe du commerce "claquée" bien avant les 10000 h promises. C1 680 µF ( Icc environ 50 mA) R1 limite le courant initial de charge du condensateur (470 Ω 1 W). R2 permet la décharge du condensateur (1 MΩ 1 W). Pont redresseur : 4 diodes type 1N4007. C2 : 220 µF 64 V. Diodes LED : 2 fois 9 diodes en série en parallèle (Une seule série est représentée).
Il faut lui assurer charge ET décharge à chaque période secteur, d’où l’intérêt de la zener qui conduit dans les 2 sens. Son avantage est de ne dissiper aucune chaleur.
Une alimentation capacitive est aussi appelée « alimentation à capa chutrice ». La « capa chutrice » traduit l’idée que la chute de tension se fait aux bornes de la « capa ». Cet article présente l’alimentation capacitive (donc sans transfo). La capa chutrice C1 joue le rôle d’une résistance en alternatif.
Une alimentation capacitive a souvent pour but de fournir une tension petite devant la tension réseau (5V, 12V, etc). On peut ainsi négliger Vz devant VRMS. De plus, l’impédance de R1 doit être faible devant l’impédance de C1 pour minimiser la dissipation dans R1. Le courant de sortie maximal est proportionnel à C1.
On observe ci dessous comment réagit une alimentation capacitive avec différentes charges. Une résistance de charge est connectée à la sortie de l’alimentation capacitive (entre +5V et 0V).
* La charge de 10kOhms consomme 0,45mA environ. Le temps de montée de la tension de sortie est de 0,28s environ. Ce temps de montée est dû à la charge initiale de C2.* La charge est cette fois-ci de 500 Ohms (9mA à 4,5V). L’alimentation capacitive délivre pratiquement son courant maximal (10mA). Le temps de montée de la tension de sortie est rallongé parce que le courant dévié par la résistance ralentit la charge de C2. La tension de sortie se stabilise autour de 4,1V.* La tension de sortie va se stabiliser à une valeur inférieure au niveau souhaité. Il faudrait 16mA pour garantir 4,5V aux bornes de la charge de 270 Ohms. La tension est assez stable jusqu’à ce que le courant maximal soit atteint.La capacité C2 est rechargée toutes les 10ms au lieu de toutes les 20ms. Une alimentation stabilisée peut être obtenue en plaçant un régulateur de tension en sortie de l’alimentation capacitive. Une alimentation symétrique s’obtient en mettant en série deux zener identiques.
Le courant qui circule dans R1 existe lors des 2 alternances du secteur. C1 supporte la tension secteur et doit donc être de classe X2 250V alternatifs. Des fabricants peu scrupuleux utilisent des condensateurs non polaires 250VDC ! La classe X2 est prévue pour des applications définies par la norme IEC664 et tient compte des surtensions du réseau (catégorie II). Sa tension zener fixe la tension de sortie.
Le plus grand courant traversant la zener DZ1 existe lorsqu’il n’y a pas de charge en sortie (à vide). Le courant moyen dans la diode est égal au courant dans la diode. La tension inverse maximale vaut Vz. Pour avoir de la marge, la tension nominale de C2 doit être le double de la tension zener (10V pour une zener 5,1V par exemple).
R2 permet à C1 de se décharger lorsque l’alimentation capacitive est déconnectée du secteur. Sa valeur est choisie entre 470k et 1MOhm. On propose un modèle 1W non pas pour la puissance à dissiper mais pour supporter la tension secteur (risque de claquage à l’intérieur). Attention : si R2 n’est pas montée, on peut prendre une bonne pichenette en touchant la fiche secteur de l’alimentation débranchée ! Aucun danger en cas de court-circuit de la sortie de l’alimentation capacitive. L’impédance de C1 limite le courant à la valeur maximale calculée ci dessus.
Une alimentation capacitive a souvent pour but de fournir une tension petite devant la tension réseau (5V, 12V, etc). On peut ainsi négliger Vz devant VRMS. De plus, l’impédance de R1 doit être faible devant l’impédance de C1 pour minimiser la dissipation dans R1. Le courant de sortie maximal est proportionnel à C1.
Le tableau suivant résume les formulas de calcul des valeurs des composantes d'une alimentation capacitive typique:
| Composant | Formula | Description |
|---|---|---|
| C1 | I = C * dV/dt | Capacité chutrice, limite le courant en alternatif. |
| R1 | R = V/I | Résistance de décharge, permet de décharger C1 en absence de secteur. |
| DZ1 | Vz | Diode Zener, fixe la tension de sortie. |
| C2 | C = I * dt/dV | Condensateur de filtrage, lisse la tension de sortie. |
Les alimentations sans transfo sont très bon marché et moins encombrantes que leurs homologues à transfo ou à découpage.
Coût limité. Nécessite une double isolation. Puissance utile limitée.
ATTENTION : Un risque de choc électrique existe lors de manipulations d’alimentation résistive ou capacitive. La sortie basse tension N’EST PAS ISOLEE du secteur ! L’utilisateur doit donc être très prudent et conscient des risques de surtensions transitoires éventuelles sur son réseau.
Pour des raisons de sécurité il faut utiliser un condensateur de classe "Z2" (autocicatrisant ).
Le rôle de R1 permet aussi de limiter le courant d'appel lors de la charge initiale de C1 (à la MST). En effet lorsque C2 est lui aussi totalement vide, dans ce cas le courant est un courant de court-circuit avec C1 et C2 considérés comme court-circuit, le courant instantané est alors seulement limité par R1 à une valeur de 0.46 Ampères. (En pratique, car cette valeur sera plus faible et ce court-circuit ne dure que très peu de temps et n'est pas similaire à un échelon de tension puisque le courant va croître progressivement avec la montée de la tension. (On raisonne cette fois non plus en alternatif mais en instantané sur la charge d'un condensateur en courant "pseudo-continu"). Il faut ajouter que l'instant auquel on va établir le secteur aurait alors une importance capitale sur ce point, car cela serait alors similaire à un échelon de tension si on branche au sommet de la sinusoïde (alternance + ou -). Faut-il un fusible en série avec R1 ? Je dirai OUI, car cela évitera d'avoir à changer un composant soudé car il est plus facile de changer un petit fusible sur ses clips.
D'une façon générale ce type de montage est fait pour de faibles consommations, et pour fixer les idées, je dirai de quelques mA à quelques dizaines de mA, mais de plus avec des courants d'utilisation relativement stables.
Demander un courant important sera synonyme de condensateur disproportionné en volume et sera alors contraire à l'esprit de créer quelque chose de "petit".
Plus la tension continue d'utilisation est élevée moins le condensateur C1 aura de travail. Moins sa réactance aura besoin d'être faible. A courant d'utilisation identique, le condensateur pourra être de plus faible valeur.
Les alimentations à secteur direct ne se substituent pas aux alimentations traditionnelles (classiques). Ce type d'alimentation délivre une puissance faible et nécessite une sécurité accrue à l'utilisateur.
Pour de faibles puissances, on peut se passer du transfo et du pont de diodes traditionnel ou de l’alimentation à découpage. Des solutions beaucoup plus économiques existent si on ne souhaite que quelques mA. En effet, un transfo ou un ensemble MOSFET/inductance/régulateur sont chers et encombrants. Les alimentations non isolées sans transfo offrent un faible coût et sont une alternative très intéressante.
tags: #alimentation #secteur #sans #transformateur #fonctionnement
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