L'électricité
L'électricité est une forme d'énergie liée au déplacement ou à la présence de charges électriques. Elle est aujourd'hui indispensable dans notre vie quotidienne : elle permet d'éclairer nos maisons, de faire fonctionner les appareils électroniques, de chauffer, de communiquer et d'alimenter de nombreux systèmes industriels.
Tout ce qui nous entoure est constitué d'atomes. Ces derniers sont formés d'un noyau contenant des protons et des neutrons, entouré d'électrons. Les électrons portent une charge électrique négative. Lorsqu'ils se déplacent dans certains matériaux, ils créent un courant électrique.
Certains matériaux laissent facilement circuler les électrons : ce sont les conducteurs électriques. Les métaux comme le cuivre, l'aluminium ou l'argent sont de très bons conducteurs. À l'inverse, les matériaux qui empêchent le déplacement des charges sont appelés isolants, comme le plastique, le verre ou le caoutchouc.
Pour qu'un courant électrique circule, il faut généralement un circuit fermé. Un circuit électrique simple est composé de plusieurs éléments :
- Un générateur, comme une pile ou une batterie, qui fournit l'énergie électrique.
- Des fils conducteurs, qui permettent aux charges électriques de se déplacer.
- Un récepteur, comme une lampe ou un moteur, qui transforme l'énergie électrique en une autre forme d'énergie.
- Un interrupteur, qui permet d'ouvrir ou de fermer le circuit.
La circulation du courant électrique est décrite grâce à plusieurs grandeurs physiques.
- L'intensité électrique, mesurée en ampères (A), correspond à la quantité de charges électriques qui traversent un circuit pendant un temps donné.
- La tension électrique, mesurée en volts (V), représente la différence d'énergie qui pousse les charges à circuler.
- La résistance électrique, mesurée en ohms (Ω), s'oppose au passage du courant.
La relation entre ces trois grandeurs est décrite par la loi d'Ohm : la tension (U) est égale à la résistance (R) multipliée par l'intensité (I). Cette loi permet de calculer le comportement d'un circuit électrique.
Il existe deux grands types de courant électrique.
- Le courant continu (CC), dans lequel les charges circulent toujours dans le même sens, comme dans une pile ou une batterie.
- Le courant alternatif (CA), dans lequel le sens du courant change régulièrement. C'est celui utilisé dans les prises électriques des habitations.
L'électricité peut être produite grâce à différentes sources d'énergie. Les centrales électriques utilisent notamment le nucléaire, le gaz, le charbon, l'eau des barrages, le vent ou le Soleil pour transformer une énergie initiale en énergie électrique.
L'électricité doit être utilisée avec précaution. Une tension trop élevée ou un mauvais usage peuvent provoquer des électrocutions, des incendies ou des dommages aux appareils. C'est pourquoi les installations électriques possèdent des dispositifs de sécurité comme les fusibles et les disjoncteurs.
L'étude de l'électricité a profondément transformé le monde moderne. De la simple ampoule aux ordinateurs, aux smartphones et aux véhicules électriques, elle est devenue l'une des formes d'énergie les plus importantes de notre civilisation.
- L'électricité statique
- Le courant électrique
- Les circuits électriques
- Le magnétisme et l'électromagnétisme
- Les relais
- La production et le transport de l'électricité
- Les piles, batteries et accumulateurs
- Les transformateurs
- Le redresseur
- L'onduleur
- Le courant monophasé et triphasé
- Les variateurs de fréquence
- La sécurité électrique
Le redresseur
Un redresseur est un dispositif électronique qui transforme un courant alternatif (AC) en courant continu (DC). Cette conversion est indispensable car la plupart des appareils électroniques fonctionnent en courant continu, alors que le réseau électrique domestique fournit un courant alternatif.
Les redresseurs sont présents dans presque toutes les alimentations électriques, qu'il s'agisse des chargeurs de téléphones, des ordinateurs, des téléviseurs ou des appareils électroménagers.
Le principe de fonctionnement
Le courant alternatif change de sens plusieurs dizaines de fois par seconde. En Europe, cette inversion se produit 50 fois par seconde, ce qui correspond à une fréquence de 50 Hz.
Pour obtenir un courant continu, il faut empêcher le courant de circuler dans l'un des deux sens. Cette opération est réalisée à l'aide de diodes, qui ne laissent passer le courant que dans une seule direction.
Le courant obtenu n'est cependant pas parfaitement continu : il présente encore des variations de tension appelées ondulations.
Le redressement simple alternance
Le redressement le plus simple utilise une seule diode.
Pendant une alternance, la diode conduit le courant. Pendant l'alternance suivante, elle le bloque complètement. La sortie est donc constituée d'une succession d'impulsions séparées par des intervalles sans courant.
Ce montage est peu utilisé pour alimenter des appareils électroniques car il exploite seulement la moitié de l'énergie fournie par le réseau.
Le redressement double alternance
Le redressement double alternance utilise les deux alternances du courant alternatif. La tension obtenue est plus régulière et fournit davantage d'énergie au circuit.
Cette technique est utilisée dans la quasi-totalité des alimentations modernes.
Le pont de diodes
Le redressement double alternance est généralement réalisé à l'aide d'un pont de diodes, également appelé pont redresseur.
Il est constitué de quatre diodes disposées de manière à ce que, quelle que soit l'alternance du courant d'entrée, le courant circule toujours dans le même sens à la sortie.
Lorsque la tension du secteur change de polarité, deux diodes cessent de conduire tandis que les deux autres deviennent passantes. La sortie conserve ainsi toujours la même polarité.
Ce principe est utilisé dans les alimentations d'ordinateurs, les téléviseurs, les chargeurs de batteries et de nombreux équipements électroniques.
Le filtrage
Après le redressement, la tension présente encore des ondulations. Pour les réduire, on ajoute généralement un condensateur de filtrage à la sortie du pont de diodes.
Le condensateur se charge lorsque la tension augmente puis restitue progressivement son énergie lorsque celle-ci diminue. La tension devient ainsi beaucoup plus stable.
Les alimentations de forte puissance utilisent parfois plusieurs condensateurs afin d'améliorer encore le filtrage.
La régulation de la tension
Même après le filtrage, la tension peut encore varier selon la charge ou les fluctuations du secteur.
Un régulateur de tension ou un convertisseur électronique maintient alors une tension de sortie pratiquement constante, indispensable au bon fonctionnement des circuits électroniques.
Les principaux types de redresseurs
Le redresseur simple alternance
Il utilise une seule diode. Sa réalisation est très simple mais son rendement est faible et la tension obtenue présente d'importantes ondulations.
Le redresseur double alternance à point milieu
Ce montage utilise deux diodes et un transformateur possédant un secondaire à point milieu. Il est aujourd'hui moins fréquent que le pont de diodes.
Le pont redresseur
Le pont de diodes est le montage le plus répandu. Il ne nécessite pas de transformateur particulier et exploite les deux alternances du courant alternatif.
Les caractéristiques d'un redresseur
Un redresseur est choisi en fonction de plusieurs caractéristiques : la tension maximale qu'il peut supporter, le courant maximal qu'il peut fournir, sa puissance dissipée et son rendement.
Les diodes provoquent une légère chute de tension lorsqu'elles conduisent. Dans un pont de diodes en silicium, cette perte est généralement d'environ 1,4 V, car le courant traverse successivement deux diodes.
Le refroidissement
Lorsque le courant est important, les diodes dissipent une partie de l'énergie sous forme de chaleur.
Les redresseurs de forte puissance sont souvent montés sur des dissipateurs thermiques, parfois associés à un ventilateur afin de maintenir une température de fonctionnement correcte.
Les applications
Les redresseurs sont utilisés dans les alimentations électroniques, les chargeurs de batteries, les alimentations industrielles, les systèmes audio, les appareils électroménagers, les équipements médicaux, les véhicules électriques et les installations photovoltaïques.
Dans la plupart des appareils alimentés par le secteur, le courant alternatif est d'abord abaissé par un transformateur ou traité directement par une alimentation à découpage, puis redressé, filtré et régulé avant d'alimenter les différents circuits électroniques.