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Dernière mise à jour : 03/05/2008
Présentation
La présente page décrit une méthode permettant
d'obtenir une basse tension à partir du secteur 230V, sans faire
appel à un transformateur abaisseur style 230V / 12V. Il s'agit
d'une méthode largement utilisée dans des circuits
électroniques basse consommation vendus dans le commerce, tels
certaines veilleuses
à led ou anti-taupes à ultrasons.
Avantages
Très économique, pertes de puissance minimes,
volume réduit, protection automatique contre les court-circuits
accidentels en sortie, tension de sortie stabilisée.
Inconvénients
Risque plus grands d'électrocution (persistance de 230V dans le
montage alimenté, par
rapport à la terre), ne convient plus vraiment quand
l'intensité demandée dépasse 50 mA.
Avertissements
A lire impérativement
avant de continuer. Tout montage alimenté par le secteur
présente des risques mortels, si un minimum de bon sens n'est
pas respecté. Les montages décrits ici ne
possèdent pas de transformateurs d'isolement, et
présentent donc un danger supérieur.
Principe
Le principe de base repose sur la capacitance d'un condensateur. La
capacitance 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 faire chuter une tension et limiter un courant,
à une fréquence bien précise.
Mais la formule R = U / I que l'on utilise pour calculer la valeur
d'une résistance en fonction de la chute de tension qu'elle doit
provoquer sous un courant donné, ne convient pas (voir page Abaissement tension).
Au lieu de celà, nous devons utiliser une formule où
apparaît un terme lié à la fréquence de la
tension alternative à abaisser (50 Hz du secteur 230 V, en ce
qui nous concerne).
Première façon de calculer
Cette première formule permet d'exprimer directement la
capacitance du condensateur en fonction de sa valeur et de la
fréquence du signal qui le traverse :
Xc = 1 / (wc)
où Xc est la capacitance en ohms,
w est la pulsation (lire oméga, égale à 2 * Pi *
Freq, Freq en Hertz)
et C est la valeur du condensateur en Farad.
A la fréquence de 50 Hz, qui est
celle
du réseau EDF, le condensateur permet de laisser passer un
courant de quelques mA par "paquet" de 100 nF :
Exemple
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 = 230V et tension de sortie = 12V, alors
I = (230 - 12) / 6776 = 32 mA
Deuxième façon de calculer
Calcul direct de la valeur du condensateur, en connaissant tension de
sortie U et
courant de sortie I désirés (valable pour du 50 Hz) :
C = I / (120 *
(230 - (0,4 * U)))
où C est la valeur du condensateur en Farad,
I est le courant maximal de sortie désiré en
Ampères
et U est la tension de sortie désirée en Volts
Exemple
On veut U = 12V et I = 10 mA
C = 0.01 / (120 * (230 - (0.4 * 12)))
C = 370 nF (on prend la valeur normalisée de 390 nF)
On peut aussi retourner la formule pour connaître le
courant max en fonction de la valeur du condensateur :
I = 120 * C *
(230 - (0,4 * U))
Exemple
On veut connaitre I max pour une tension de sortie U de 12V, si on
utilise un condensateur de 1 uF
I = 120 * 0.000001 * (230 - (0.4 * 12)) = 27 mA
Mise en pratique
Le schéma suivant, qui met en oeuvre un condensateur pour
abaisser le courant dans une led, doit donc fonctionner.
Oui, il fonctionne. Une fois, deux fois, puis à la
troisième mise sous tension, pouf, plus de led. Et encore vous
aurez bien de la chance si la led tient la première fois.
Pourquoi ? Parce qu'un condensateur qui n'est pas en service pendant un
certain temps, se décharge. Ce qui veut dire que la tension
à ses bornes devient très faible ou nulle au bout d'un
moment. Cela signifie également qu'on peut alors le
considérer
comme un court-circuit. Et si on met
en service le montage précédent au moment même
où l'onde secteur est à son maximum (plus de 310
V crête), la led voit cette tension à ses bornes, ce qui
provoque une surintensité brêve et énorme, de
plusieurs ampères. En général, une led, même
plus robuste que la moyenne, à du mal à digérer ce
type de traitement. Ce montage est
pour cette raison dangeureux, et ne doit pas être
réalisé tel quel ! Mais cela n'est qu'un
problème parmi
d'autres. La led est un composant polarisé, qui ne fonctionne
que si on lui applique une tension continue, et ce dans le bon sens.
Une tension alternative est une tension dont l'amplitude varie
et dont le sens (la polarité) change sans arrêt, et la led
ne s'allume donc qu'une alternance sur deux. Bon, allez-vous dire,
cela reste du 50 Hz et le clignotement sera donc invisible à
l'oeil humain du fait de sa persistance rétinienne. Et c'est
vrai. Mais la led n'aime pas trop se trouver avec une tension inverse
(tension à
l'envers)
élevée. La tension inverse supportée avant
claquage est de l'ordre de quelques volts seulement, et on peut se
douter qu'une
tension de quelques 300 volts dépasse légèrement
la limite autorisée. Il convient donc dans un premier temps de
"bloquer" les alternances non supportées par la led, ce
qui est possible grace à l'adjonction d'une simple diode, comme
le montre le montage suivant.
Maintenant, la led ne reçoit plus de tension inverse trop
élevée, car lors des alternances négatives, c'est
la diode D2 (que nous venons d'ajouter) qui conduit. Et quand elle
conduit, la tension à ses bornes est inférieure à
1V, ce qui est bien en dessous de la tension inverse max
tolérée par une led. Cette dernière n'a donc plus
de raison de griller. Hum,
avez-vous donc déjà oublié le pic de courant qui
peut se produire à la mise sous tension ? Le schéma
suivant montre qu'avec une simple résistance additionnelle (R1),
on
résout ce problème potentiel (notons en même temps
que la valeur du condensateur C1 a été réduite
à 390 nF pour descendre à 10 mA environ le courant dans
la led).
La résistance R1 limite l'appel de courant
quand le condensateur est déchargé. Sa valeur doit
être déterminée en fonction de la capacité
du condensateur et de la pointe de courant que l'on accèpte,
mais de manière générale, on estime que sa valeur
doit être de l'ordre de
R = 3 / I
avec R en ohms et I en ampères
Exemple
Si I max = 10 mA (0.01 A), alors
R = 3 / 0.01 = 300 ohms
Remarque : dans certains
montages, on tolère une pointe de courant bien supérieure
à la valeur du courant nominal, car la pointe est brêve et
la dissipation thermique qui en résulte n'est pas toujours
dangeureuse. Par exemple, une led dont le courant nominal est de 20 mA,
peut très bien accepter une surintensité de 200 mA si
elle est occasionnelle, ou si l'intervalle entre chaque
surintensité est grand devant la durée de ces
dernières. Si on est sérieux, on se documente sur les
capacités du circuit à alimenter, pour connaitre ses
limites extrêmes.
Voilà donc un montage qui commence à tenir la route.
Cependant, nous n'avons pas encore de tension stabilisée en
sortie (au niveau de la led), et les fluctuations de la tension du
secteur peuvent provoquer des variations de courant que l'on ne
souhaite pas (même si dans l'exemple présent ce n'est pas
si critique que ça). S'il est possible d'utiliser un
régulateur de
tension de type LM78xx (par exemple
régulateur 12 V tel que LM7812), il reste toutefois plus
économique et moins encombrant de faire appel à une diode
zener. Rappelons que le courant de sortie maximal que l'on attend
de ce genre de montage ne peut guère dépasser quelques
dizaines de mA. Voici donc un nouveau schéma, dans lequel
apparait une diode zener chargée de limiter l'amplitude de
sortie à un maximum de 12 V.
Là encore, le système semble fonctionner puisque la led
D1 s'allume. Mais si nous sommes suffisement curieux et que nous vient
à l'idée de mesurer la tension de sortie pour être
sûr qu'elle ne dépasse pas 12 V, nous avons droit à
une sacrée surprise : la tension atteint quelques 2 V, mais pas
plus ! Le choix d'une diode zener serait-il en cause ? Que neni. Une
led est une diode avant tout, et quand elle conduit, la chute de
tension ne dépasse pas sa tension nominale, qui ne varie
guère même pour une variation de courant assez importante.
On peut donc assimiler notre led à une diode zener de 2 V. Et
quand on branche deux diodes zener de valeurs différentes
en parallèle, c'est celle de valeur la plus faible qui a
le dernier mot. En d'autres termes, notre diode zener de 12 V (D3) ne
sert strictement à rien dans ce montage ! Il convient donc de
rectifier le tir, en "isolant" la diode zener de la led. Avec une
résistance, par exemple.
Cette fois, nous avons bien une tension qui atteint 12 V aux bornes de
la diode zener D3, et une tension qui ne dépasse guère
les 2 V aux bornes de la led D1. La résistance R2 cablée
entre ces deux composants provoque donc une chute de tension de 10 V
(12 V - 2 V). Avec la valeur de 1K donnée à cette
résistance R2, on en déduit qu'il y circule un courant
crête de 10 mA, tout va donc très bien. Bien entendu, si
le condensateur C1 avait une valeur plus faible (par exemple de 100
nF), ce courant de 10 mA ne pourrait pas être atteint. Mais en
revanche, si le condensateur C1 est de valeur plus élevée
(par exemple 1 uF), le courant dans la led sera toujours de 10 mA car
la tension de sortie, imposée par la diode zener D3, ne varie
pas (ou très peu). On voit donc que la zener, associée
à R2, joue bien un rôle dans la régulation de la
tension et du courant de sortie. Cela commence à devenir
interressant, mais constat est fait que la led reçoit toujours
des "bouts" d'alternances, et non une tension continue fixe. Si vous
avez quelques notions
de base concernant les alimentations secteur linéaires (pas
celles à découpage), vous devez savoir que l'ajout d'un
condensateur de filtrage pourrait nous rendre bien des services. Et
vous avez raison, c'est exactement ce qu'il nous faut. Et hop, un
nouveau schéma avec un condensateur en parallèle sur la
diode zener !
A bah ça par exemple, la led ne s'allume plus ! Et rien
n'explose... je n'ai pas l'impression de m'être trompé,
pourtant. Revoyons donc ce qui se passe avec ce dernier schéma,
lorsque les alternances sont positives, c'est à dire quand la
tension sur la phase (Ph) est supérieure à la tension de
neutre (N). La tension du secteur parvient à la diode zener et
au condensateur C2, et ce dernier se charge sous une tension qui ne
peut pas dépasser 12V. Si maintenant l'alternance change de
sens, c'est à dire si la tension sur la phase (Ph) est
inférieure à la tension de neutre (N), la diode D2
conduit et... bon sang mais c'est bien sûr ! Elle court-circuite
le condensateur C2, qui se décharge donc aussitôt. Et
comme la valeur du condensateur C2 est élevée, il n'a pas
le temps de se charger entièrement avec une seule alternance (il
lui en faut plusieurs). La tension à ses bornes n'a donc jamais
le temps de grimper. Si on réduit sa valeur à 1 uF, la
led s'allume bien, mais nous nous retrouvons à nouveau avec des
demi-alternances, et point de tension continue. La solution ? Isoler la
diode zener D3 et le condensateur de filtrage C2 du secteur, quand ce
dernier est sur son alternance négative. En ajoutant une diode,
comme ça :
La diode D4 empêche effectivement le condensateur de se
décharger lors des alternances négatives. Et cette fois,
nous disposons bien d'une tension continue, stabilisée et
filtrée, aux bornes de la diode zener D3. Le calcul de C2
répond approximativement à la formule suivante :
C = 200 * (I /
U)
ou C est exprimé en uF
I est le courant maximal de sortie désiré en
mA
et U est la tension de sortie désirée en Volts
Usage général
Le dernier schéma mis en pratique montre que l'on s'en tire avec
peu de composants, même si au fur et à mesure des
expériences menées, on pouvait avoir le sentiment qu'on
ne s'en sortirait pas, tant il y avait de "problèmes" à
résoudre. Finalement, on peut estimer que le schéma
suivant peut être utilisé pour d'autres applications que
le simple allumage d'une led, qui vous l'admettrez est tout de
même un exercice plus interressant que le simple calcul d'une
résistance chutrice sous une tension continue... Pour vous
simplifier la tache, vous trouverez ci-après un tableau avec
quelques valeurs typiques, pouvant servir de base à quelques
expérimentations. Clignotant 006,
par exemple...
Remarque : les composants du
schéma suivant ont été renumérotés
par rapport aux schémas précédents, pour tenir
compte du retrait de la led.
Sortie 12 V / 10 mA
Tension
Vout
|
Courant
Iout
|
C1
(voir note 1)
|
R1
(1 W)
|
D3
(400 mW)
|
C2
(voir note 2)
|
5 V
|
20 mA
|
820 nF
|
150
|
5,1 V
|
1000 uF / 16 V
|
9 V
|
10 mA
|
390 nF
|
300
|
9 V
|
220 uF / 16 V
|
12 V
|
40 mA
|
1,5 uF
|
75
|
12 V
|
680 uF / 16 V
|
15 V
|
15 mA
|
680 nF
|
200
|
15 V
|
220 uF / 25 V
|
24 V
|
5 mA
|
180 nF
|
600
|
24 V
|
47 uF / 40 V
|
Note 1 : Le condensateur C1
doit impérativement être de classe X2, tension de service 250 V
alternatif ou 400 V continu (ou encore mieux 400 V alternatif ou 630 V
continu).
Note 2 : Le condensateur C2
doit toujours avoir une tension de service supérieure à
la tension de sortie désirée.
Ajout d'un régulateur de tension
On peut dans certains cas avoir besoin d'une tension de sortie aussi
bien régulée que celle que l'on obtient avec une
alimentation traditionnelle à transformateur
équipée d'un régulateur de
tension intégré. Il est tout à fait possible
de monter un tel régulateur de tension sur une alimentation
secteur sans transformateur, comme le montre le schéma suivant :
Ce montage permet de débiter un courant de quelques 40 mA. Il
faut noter que quelques mA sont déjà "bouffés" par
le régulateur lui-même, qui consomme même si on ne
s'en sert pas. Vous pouvez bien entendu modifier la valeur de la diode
zener et le type de régulateur, afin de disposer d'une tension
de sortie autre que 12 V. Pour la diode zener, choisissez un
modèle dont la tension de service est au moins supérieure
de 3 V à la tension de sortie du régulateur, si ce
dernier est un modèle classique (chute de tension de 3 V au
moins pour une régulation correcte). Si vous optez pour un
régulateur de tension à faible chute de tension (LDO),
vous pourrez alors grignoter quelques mA supplémentaire en
sortie en conservant toujours une bonne régulation.
Condensateur ou résistance chutrice ?
J'ai vu plusieurs fois des alimentations secteur sans transformateur
où aucun condensateur n'était utilisé en tant
qu'élément abaisseur de tension / courant (dans des vieux
jeux de
lumière, dans des afficheurs de température à
leds, entre autres).
Certains
auteurs préfèrent utiliser des résistances de
puissance pour abaisser
la tension. Cela est bien entendu
possible, mais il faut alors connaitre assez précisement la
consommation du montage qui tire son énergie de ce type
d'alimentation, et il faut bien entendu choisir des résistances
de puissance capable de supporter en continu une chute de tension
importante. Le montage suivant est un exemple de ce qu'on peut faire
avec des résistances chutrices, sortie double +15 V et +12 V.
Contrairement
à ce qu'on pourrait peut-être penser, ce schéma
n'est pas capable de
fournir un courant beaucoup plus important que son homologue
à
condensateur. On est en effet assez vite limité par la
dissipation de
puissance des résistances R1 à R4, qui au final, et pour
une
consommation similaire, prennent autant - sinon plus - de place. Ces
résistances, qui peuvent chauffer pas mal, doivent être
espacées du
circuit imprimé d'au moin 5 mm à 10 mm pour laisser l'air
circuler
librement, et le boitier "de rangement" doit être suffisement
aéré.
Circuits intégrés spécialisés
Certains fabriquants ont sorti des circuits intégrés
permettant de passer "directement" de la tension du réseau 110
Vac ou 230 Vac, à une basse tension continue. Quelques uns sont
listés ci-dessous :
- MAX610 (Maxim) - Sortie +1,3 Vdc à 15 Vdc - 50 mA
- HIP5600 (Harris) - Sortie +1,2 Vdc à +50 Vdc - 30 mA max
- HV2405E (Harris) - Sortie +5 Vdc à +24 Vdc - 50 mA max
