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Dernière mise à jour : 26/09/2021

Préambule

Tout montage ne vaut que par la qualité de son alimentation. Et c'est pourtant bien souvent un point négligé !

Il existe deux familles principales d'alimentations secteur : les alimentation linéaires et les alimentations à découpage. Les alimentations linéaires sont plus faciles à fabriquer et à dépanner. Mais elles présentent l'inconvenient (surtout pour les fortes puissances), d'être plus encombrantes, d'avoir un rendement inférieur et de chauffer plus que leur homologue à découpage.

Pour un industriel, le choix du type d'alimentation va évidemment influencer le coût de fabrication ou d'intégration. Il est à noter que tout fabricant de matériel ne possède pas forcemment la compétence pour réaliser des alimentations à découpage, et souvent il l'achètera à un spécialiste.

La réalisation d'une alimentation à découpage par l'amateur reste relativement délicate, même avec l'apparition de composants intégrés assurant le plus gros du travail. Dans tous les cas, je ne saurais que trop conseiller au débutant en électronique de commencer par la réalisation d'une alimentation linéaire. De même, je vous déconseille formellement d'essayer de dépanner une alimentation à découpage si vous ne connaissez pas parfaitement son fonctionnement.

Cet article ne concerne que les alimentations linéaires.

AC ou DC ? Simple ou symétrique ?

AC (~) = Alternative Current => courant alternatif ou tension alternative
DC (=) = Direct Current => courant continu ou tension continue

Alim simple = alim mono-tension => une seule source de tension/courant (par exemple +12V)
Alim symétrique = alim bi-tension => deux sources de tension/courant de polarité opposée (par exemple +/-15V)
Alim multiple = alim dotée de plusieurs sorties isolées ou non entre elles, de tensions égales ou différentes (par exemple +/-15V et +5V)

La quasi-totalité des circuits électroniques fonctionnant en très basse tension (moins de 50 V) ont besoin d'une ou plusieurs tensions continues (DC) pour fonctionner. Ce qu'on appelle communément bloc d'alimentation secteur transforme la tension 230 V alternative du secteur (AC) en une tension continue (DC). Certains bloc d'alimentation secteur délivrent une tension alternative, il s'agit dans ce cas d'un simple transformateur d'alimentation (sans électronique pour transformer l'alternatif en continu). Le texte qui suit faire uniquement référence aux alimentations de type DC (tension continue) simples ou symétriques.

Constitution de base d'une alimentation secteur linéaire

Le nombre de schémas électroniques complets disponibles sur le net et dans les revues d'électronique (qui dit en passant disparaitront sans doute bientôt vu l'évolution des choses) est impressionant. Je ne vais donc pas publier ici une n-ième version de montage que l'on trouve partout, mais plutôt apporter quelques commentaires (enfin bon, si vous insistez, voici le schéma d'une alim 2 x 15V).

Vous trouverez dans les lignes qui suivent, le schéma de base de quelques alimentations courantes de type simples et symétriques (doubles). Ces schémas ne laissent apparaitre aucune régulation, nous avons affaire là à des alimentations filtrées mais non régulées. L'ajout d'un régulateur est justifié pour les montages électroniques nécessitant une alimentation très stable, comme les préamplificateurs, les systèmes de mesure ou les montages de type numériques. Le plus souvent, aucun régulateur n'est employé pour l'alimentation en énergie de la section puissance d'un amplificateur BF. Nous y reviendrons plus loin.

Alimentation simple avec transformateur à secondaire unique

Dans la configuration de cablage qui suit, le redressement est dit Mono-alternance, seules les alternances positives de la tension alternative délivrée par le secondaire du transformateur, sont utilisées, les alternances négatives sont purement ignorées. En d'autres termes, on utilise le transfo à moitié de sa capacité. Ce type d'alimentation convient très bien pour un montage qui ne consomme pas beaucoup de courant, car le condensateur de filtrage emmagasine assez d'énergie pour fournir ce qu'on lui demande. Mais demandons un peu plus de courant en sortie, et là c'est la catastrophe, la tension de sortie ondule beaucoup trop, et s'il s'agit d'une alimentation pour un montage audio, on se retrouve avec une belle ronflette superposée au signal audio utile. Si le courant demandé est assez important, il faut faire appel à un redressement double alternance (solution conseillée), ou augmenter très fortement la valeur du condensateur de filtrage (moins élégant).

Retenez donc que la solution du redressement mono-alternance présentée ci-avant est déconseillée pour une application audio, mais qu'elle peut parfaitement convenir pour un étage électronique pour lequel une valeur d'ondulation résiduelle importante n'est pas critique (un étage de commande de relais par exemple).

Dans la configuration de cablage qui suit, le redressement est dit Double-alternance, les alternances positives et négatives de la tension alternative délivrée par le secondaire du transformateur sont utilisées. Cela est rendu possible par l'emploi de quatre diodes au lieu d'une seule (deux travaillent avec les alternances positives, les deux autres s'occupent des alternances négatives).

Cette configuration permet d'avoir un résidu de tension alternative de bien moindre amplitude en sortie finale pour un même courant consommé, par rapport au montage à une seule diode. Le condensateur est en effet chargé deux fois plus souvent, et la tension à ses bornes reste ainsi plus souvent proche de son maximum. Ce montage est conseillé quasiment dans tous les cas de figure, il demande simplement quatre diodes au lieu d'une seule. Un surcout vraiment négligeable au vu de ce qu'il rapporte !

Alimentation simple avec transformateur à secondaire à point milieu

Dans la configuration de cablage qui suit, le redressement est aussi de type Double-alternance, malgré l'emploi de seulement deux diodes de redressement. Les performances de ce montage sont les mêmes que celles que l'on a en utilisant un secondaire simple avec un pont de quatre diodes.

Remarque : un tel cablage de deux enroulements secondaires de même tension de sortie ne signifie pas que la tension de sortie va être doublée par rapport à un cablage avec enroulement secondaire simple. Par rapport au point milieu, la tension crête de sortie de chaque "extremité" d'enroulement est celle de la moitié de l'enroulement total, et chaque diode conduit sur une moitié de l' alternance seulement, et ne voit donc que la moitié de l'amplitude d'une onde complète. Par contre, si l'on câble le secondaire avec un pont de quatre diodes comme dans le montage précédent, et sans tenir compte du point milieu (qui reste donc en l'air), la tension de sortie sera bien doublée (un transfo 2 x 12 V devient un transfo 1 x 24 V).

Alimentation symétrique avec transformateur à secondaire à point milieu

Il s'agit sans doute là de la configuration de câblage la plus fréquement rencontrée. Elle permet d'obtenir deux tensions symétriques, opposées en polarité par rapport à une masse commune qui sert de référence (0 V). Schéma de base classique comme utilisé à la page Alimentation symétrique 005.

Attention à ne pas vous tromper dans la polarité des condensateurs, le condensateur du bas à bien sa borne + reliée à la masse !

Alimentation symétrique avec transformateur à deux secondaires séparés

Voici le schéma correspondant :

Vous pouvez assimiler ce montage à deux alimentations simples à redressement double alternance, dont l'une va servir pour la partie positive et l'autre pour la partie négative. Le point commun qui sert de référence (masse 0 V) est obtenu en réunissant la borne négative de l'alimentation "positive" (celle du haut sur le schéma), avec la borne positive de l'alimentation "négative" (celle du bas). Notez qu'en abscence de point commun de masse 0 V, nous avons là deux alimentations simples totalement isolées l'une de l'autre !

Alimentation symétrique avec transformateur à secondaire simple

Cette façon de faire est souvent mise en oeuvre dans des montages qui nécessitent une alimentation symétrique, alors que le transfo fourni est de type externe et qu'il délivre une unique tension alternative. Cela permet d'utiliser un connecteur jack d'alimentation classique à deux broches (peu couteux) et de produire les deux tensions symétriques au sein même de l'équipement. Exemples d'utilisations : pédales d'effets de guitares, modem RTC avec port série RS232. Le schéma ci-dessous montre une façon de faire :

Retenez que pour ce genre de montage, on se retrouve avec un redressement de type Mono-alternance, donc moins performant. Les résultats ne sont interressants que si la consommation globale est faible, de l'ordre de 100 mA maximum sur chaque branche. Au delà de 100 mA, je déconseille cette approche et préconise l'emploi d'un secondaire double ou à point milieu comme vu précédement. On peut aussi faire appel à des condensateurs de forte valeur qui permettent d'obtenir deux sorties galvaniquement isolées l'une de l'autre, toujours à partir d'un secondaire unique. Le schéma qui suit montre un exemple d'alimentation où la tension principale (positive) est assurée en mode bi-alternance et où une tension secondaire (négative) est assurée en mono-alternance.

Quand la consommation requise sur la branche négative est plus faible que celle requise sur la branche positive (c'est parfois le cas avec les montages à AOP), cette façon de faire peut être intéressante. La valeur du condensateur "d'isolement" de la branche négative est proportionnelle au courant de sortie désiré, plus sa valeur est élevée et plus le courant débité peut être important. Pour donner un ordre de grandeur raisonable, donnons-lui une fourchette de 100 uF à 1000 uF (1000 uF pour un courant de 100 mA en conservant une ondulation résiduelle pas trop élevée). Oh, un petit détail sur lequel vous devrez réfléchir pour ce schéma en particulier : la valeur de la tension de sortie négative pourrait vous surprendre. Je n'en dis pas plus.

Autre exemple où un secondaire de 6,3 V est mis à contribution pour délivrer une tension symétrique de +/-12 V au moyen de deux doubleurs de tension symétriques :

Alimentation symétrique 011

Alimentation symétrique avec une tension double additionnelle

On peut dans certains cas avoir besoin d'une tension de sortie addditionnelle de valeur plus élevée que les tensions permises par le transformateur utilisé. Par exemple, on souhaite disposer de deux tensions symétriques de +/-6 V et d'une tension additionnelle de +12 V alors qu'on ne dispose que d'un transformateur de 2 x 6 V. Ou alors disposer de deux tensions symétriques de +/-12 V et d'une tension additionnelle de +24 V alors qu'on ne dispose que d'un transformateur de 2 x 12 V.

Si le courant demandé pour la sortie additionnelle n'est pas trop important, on peut utiliser un doubleur de tension, comme le montre le schéma suivant.

Ce procédé a par exemple été mis en oeuvre dans mon alimentation multiple 002, avec une légère variante que je vous laisse trouver.

Attention : avec ce genre de montage, il est recommandé de prévoir une régulation à la suite du doubleur de tension, car la tension réellement disponible au point Vs2+ peut varier dans de grandes proportions en fonction du transformateur utilisé et de la tension réelle du réseau EDF.

Haute tension

Lorsqu'il faut produire des tensions continues de quelques centaines de volts, on peut faire appel à diverses techniques, dont le multiplicateur de tension. Mais la plus simple, surtout quand la haute tension désirée est "modeste", consiste sans doute à uiliser un transformateur d'alimentation élévateur, suivi de diodes et condensateurs dont la tension de service est soigneusement choisie. Le schéma qui suit, extrait d'un schéma d'alimentation d'amplificateur à lampes, en est un exemple :

On pourrait être surpris de mettre en série deux diodes supportant 1000 V (c'est le cas des 1N4007), alors que la tension de sortie n'est que de 470 V. Cependant, les diodes qui sont à l'état bloqué doivent supporter, en inverse, une tension double de la tension crête du secondaire du transfo. Et cette tension est très proche de 1000 V, ce qui explique qu'il est plus prudent de ne pas prendre trop de risques. Afin de répartir convenablement la tension aux bornes des diodes bloquées, des résistances de forte valeur (ici 220 kO, mais on peut aller jusqu'à 1 MO) y sont ajoutées en parallèles. Le principe de répartition de la tension de sortie en deux demi-valeurs est appliqué pour les condensateurs de filtrage, ces derniers ne voient à leurs bornes que la moitié de la tension de sortie. Là encore, on pourrait se contenter d'un seul condensateur de tension de service de 500 V pour une tension de sortie évaluée à 470 V, mais en procédant ainsi (avec deux condensateurs), les composants sont moins sollicités, et vieillissent moins vite. Une prudence parfois jugée comme du luxe par ceux qui n'utilisent que des condensateurs de haute qualité, dont la tenue des caractéristiques au fil des ans est bien établie.

La self de filtrage L1, associée aux condensateurs qui font suite, constitue un filtre assez efficace de lissage (passe bas). Cette self est parfois un "gros modèle", valeur typique de quelques Henry (par exemple entre 1 H et 10 H), mais on peut tout aussi bien trouver une valeur beaucoup plus faible si on augmente en proportion la valeur du condensateur qui suit ou si le courant de sortie demandé n'est pas très élevée. En effet, la valeur de la self (et du condensateur qui suit) doit être déterminée en fonction du courant de sortie et de l'ondulation résiduelle maximale désirée (comme la résistance ohmique d'une telle self n'est pas nulle, il faut aussi en tenir compte, et si on ne veut pas qu'elle chauffe trop, sa valeur doit être faible).

Remarques :

La valeur capacitive équivalente de deux condensateurs identiques montés en série est égale à la moitié d'un seul : ici, C1 et C2 (de 220 uF) en série forment un unique condensateur de 110 uF / 1000 V. Même chose pour C3 et C4.
Les résistances classiques supportent 300 V entre leurs deux bornes. Pour cette raison, il est conseillé d'en placer au moins deux en série à chaque endroit où une référence de résistance est indiquée. Par exemple, R1 peut être constituée de 2 résistances de 220 kO en série.

Ajout d'un régulateur de tension

L'ajout d'un régulateur de tension est indispensable si le montage alimenté demande une tension d'alimentation de grande stabilité. Le régulateur se met après le condensateur de filtrage évoqué ci-avant. Pour de plus amples informations, merci de vous reporter aux pages Régulateur de tension et Régulation d'alimentation.

Dimensionnement de l'alimentation

Les paragraphes qui suivent traitent du choix des composants à utiliser pour réaliser une alimentation linéaire, du type de celles proposées ici. Le choix du transfo, des condensateurs de filtrages principaux, du type de régulateur, et de la taille du radiateur (s'il y en a besoin bien sûr) ne doivent pas être pris à la légère.

Pour être fiable et donner de son mieux, une alimentation doit être parfaitement dimensionnée. Prévoyez une marge de 20 à 30 %, ou même plus si vous pensez un jour adjoindre un élément à votre montage (vu-mètre non prévu au départ, ou je ne sais quoi d'autre).

Choix du transfo

Le texte qui suit donne quelques idées générales, point de "décisionnel absolu". Pour des besoins spécifiques, ces infos peuvent être insuffisantes et devront sans doute être complétées.

Type de transformateur

Transformateur standard, torique, ou spécifique audio (type "R") ? Pour l'audio faibles niveaux, j'ai fait mon choix depuis longtemps : torique ou type "R". Les transfos standards sont à bannir pour l'audio faibles niveaux, à cause de leur pertes magnétiques trop importantes, qui induisent trop de problèmes de ronflettes (ou alors il faut les mettre dans un boitier à part, mais celà engendre d'autres soucis). Les transfos toriques sont bien car ils rayonnent bien moins, et tiennent moins de place en hauteur (faciles à caser dans un rack 1U) sauf bien sûr s'il s'agit de modèles 600 VA... Les transfos de type "R" sont très bien aussi, mais attention à leur hauteur, qui empêche leur utilisation dans un rack 1U. Pour ma part, j'utilise du type "R" si je peux le caser, sinon, je prends un torique. Le seul avantage que je trouve aux transfos standards est leur prix. En fait, j'en utilise plus que des transfos toriques, car il conviennent très bien pour toutes sortes d'autres montages (sinon ils ne se vendraient pas) !

Tension de sortie (tension de secondaire)

Choisissez un transformateur dont la tension de sortie de son secondaire est en étroite correspondance avec la tension de sortie régulée désirée. Pour cela, il faut savoir que la tension donnée par le constructeur correspond à la tension alternative efficace. La tension redressée, en sortie du pont de diode, sera plus élevée, 1.4 fois plus importante environ. Pour connaitre la tension continue que l'on aura après redressement par les diodes et après filtrage par le condensateur, la tension efficace doit être multipliée par 1,41 (racine de 2), puis on doit lui retrancher la chute de tension dans les diodes (environ 1,2 à 2,0 V pour un pont de diodes, selon son type). Par exemple, si vous utilisez un transfo dont le secondaire délivre une tension efficace de 15 V, la tension continue redressée et filtrée Us sera de :

Us = (15 x 1,41) - 1,2 V = 20 volts environ (1,2V de chute de tension pour un pont de diodes faible puissance).
ou
Us = (15 x 1,41) - 2,0 V = 19,1 volts environ (2,0 V de chute de tension pour un pont de diodes forte puissance).

Comme la chute de tension dans les régulateurs classiques est de 3 V au minimum, cette valeur convient parfaitement pour une tension de sortie de 15 V.

Remarque pour une tension de sortie 24 V : une fois redressée et filtrée, la tension efficace de 24 V atteint allègrement les 32 V. La chute de tension aux bornes du régulateur est alors de 8 V, ce qui nécessite le placement d'un radiateur bien dimensionné sur le régulateur. On ne peut utiliser de transfo de 18 V, car la tension redressée et filtrée ne serait que de 24 V et donc insuffisante pour que le régulateur fonctionne correctement (souvenez-vous des 3 V minimum nécessaires entre entrée et sortie du régulateur).

Tension réelle en sortie d'un transformateur

Comme l'impédance interne du secondaire du transformateur n'est pas nulle, la tension réellement disponible en sortie du transformateur dépend du courant débité. La tension spécifiée par les fabricants correspond à celle que l'on a à pleine charge, c'est à dire sous le courant nominal (maximal) indiqué. A vide, ou pour un courant inférieur, la tension est toujours plus élevée, et il faut bien sûr en tenir compte quand les calculs à effectuer concernent des applications où la tension et/ou la puissance n'est pas négligeable. Le surplus de tension est voisin des valeurs suivantes :

transfo standard basse puissance (< 80 VA) : entre +15 % et +20 %
transfo standard moyenne puissance (> 80 VA et < 300 VA) : entre +10 % et +15 %
transfo standard forte puissance (> 300 VA) : entre +5 % et +10 %
transfos torique : environ +10 %
transfos extra-plat surmoulés Myrra : environ +30 %
transfo de type "R" : entre +2 % et +4 %

Puissance du transformateur

La puissance du transformateur sera choisie en fonction de la tension et du courant maximum désirés. Si vous souhaitez réaliser une alim 9 V / 1,5 A, il vous faudra au minimum un transformateur de 13,5 W (9 V x 1,5 A). La majorité des constructeurs expriment la puissance du transformateur en VA et non en Watts, mais en pratique il n'y a pas de très grandes différences, même si ce n'est pas la même chose. Pour connaitre le courant nominal qu'est capable de fournir un transformateur, il suffit de diviser la puissance du transfo (en VA) par la tension maximale du ou des secondaires.

Par exemple, un transfo de 2 x 9 V / 75 VA est capable de fournir un courant de :
75 / 18 = 4,16 A environ (pour chacun des deux secondaires)

et un transfo de 9 V / 75 VA est capable de fournir un courant de :
75 / 9 = 8,33 A environ (pour l'unique secondaire)

Le calcul est bien sûr possible dans l'autre sens : vous souhaitez un transfo 9 V / 1,5 A, vous devrez alors choisir un modèle :
9 x 1,5 = 13,5 VA

Il est toujours préférable de prévoir une petite marge, aussi, pour ce dernier exemple, vous choisirez un modèle 16 VA.

Combinaison de plusieurs secondaires

Vous pouvez mettre en parallèle deux secondaires de même valeur afin de doubler le courant de sortie disponible (la tension restant la même), ou les mettre en série afin d'additionner leurs tensions (le courant de sortie maximal sera celui permis par le secondaire le moins "puissant"). Par exemple, avec un transfo de 2 x 9 V / 16 VA, vous pouvez obtenir 18 V / 0,88 A (montage des secondaires en série) ou obtenir 9 V / 1,77 A (montage des secondaires en parallèle). Attention cependant, une telle association ne vous permet plus de réaliser une alimentation symétrique "normale", puisque vous vous retrouvez alors avec un seul secondaire au final. Voir aussi Câblages transformateurs.

Combinaison de plusieurs primaires

La combinaison de bobinages primaires peut être justifiée quand le transformateur dispose de plusieurs enroulements distincts au primaire, par exemple deux enroulement de 110 V chacun. Dans ce cas, il faut relier les deux primaires en série afin de pouvoir leur appliquer du 230 V, valeur plus courante en France ;-). Ne songez pas un instant à mettre deux enroulement 110 V en parallèle pour augmenter la puissance disponible, la seule chose que vous augmenteriez serait la quantité de lumière et de fumée dans la pièce où à lieu l'expérience. Voir aussi Câblages transformateurs.

Choix de la diode ou du pont de diodes

Le type de diode ou pont de diodes dépend principalement de la tension de sortie crête du transfo et du courant maximum à délivrer en sortie, mais aussi du contexte d'utilisation. Votre choix peut aussi bien se porter sur des diodes à l'unité (il en faut quatre pour faire un pont) ou sur un pont moulé (quatre diodes intégrées dans un unique boîtier à quatre pattes).

Vous pouvez vous contenter d'un pont de diodes moulé de type 110B6 ou KBP02M pour une utilisation en 12 V / 500 mA, ou utiliser des diodes classiques telles les 1N4007 (1 A) ou les BY255 (3 A) pour des courants un peu plus importants. Mais vous pouvez aussi exiger "mieux" et utiliser des diodes de redressement rapides (comme les BYW98-200) ou des diodes schottky (genre MBR745 ou MBR20100CT), qui peuvent améliorer le comportement global de l'alimentation sur les transistoires rapides (exemple d'utilisation dans l'alim simple 003b).

Pour des intensités de courant très élevées (20 A par exemple), votre choix devra se porter sur un pont de diodes de puissance, généralement équipé d'une semelle mécanique permettant une fixation directe sur un radiateur de refroidissement (à ces courants là, l'échauffement thermique des diodes n'est plus du tout négligeable).

Utilisation en audio

Jusqu'à une certaine époque, je préconisais l'ajout d'un condensateur de 47 nF sur chacune des diodes de redressement, afin de réduire les bruits de commutation (parasites HF) produits par les diodes elles-même à chaque alternance. J'avais appris cela d'un auteur spécialisé dans le domaine audio haut de gamme. Puis j'ai eu droit à un avis différent, de la part d'un autre auteur lui aussi spécialisé dans le domaine audio haut de gamme. Contrairement au précédent, ce dernier proscrit totalement ces condensateurs, qui selon lui contribuent à laisser passer les parasites et ont donc un effet plus néfaste que bénéfique. Comme moi-même n'avais pas l'expérience de ces deux gourous dans ce domaine précis, je ne savais plus quoi en penser et encore moins quoi conseiller, si ce n'est d'essayer vous-même !

Un point commun toutefois entre les deux experts, celui de recommander, pour le domaine audio principalement, des diodes rapides, telles que des UF4001 (en remplacement des 1N4001) ou des BYV28 ou encore des BYW98. Sur ce point, nous sommes donc tous d'accord.

Utilisation en forte puissance

L'ajout d'une résistance de faible valeur (1 à 3,3 ohms) en série avec chaque diode d'un pont de diodes est parfois conseillé lorsque les courants mis en jeu sont élevés (plusieurs ampères). Ces résistances permettent de limiter l'appel de courant d'une part lors de la mise en route de l'alimentation (le condensateur de filtrage principal est vu à ce moment comme un splendide court-circuit, car il n'est pas encore chargé), et d'autre part en fonctionnement normal, ce qui limite aussi un peu les bruits de commutation.

Ponts de diodes en parallèle ?

On peut voir dans certains étages de sortie d'amplificateur, plusieurs transistors montés en parallèle pour disposer d'un courant important - et donc d'une puissance importante. On retrouve aussi cette façon de faire dans certaines alimentations de puissance pour CB (par exemple plusieurs 2N3055 en parallèle avec une résistance série pour chacun d'eux pour l'équilibrage des courants).

Mais peut-on câbler deux ponts de diodes en parallèle, ou question sous-entendue, cela est-il préférable à l'usage d'un pont de diode unique de puissance supérieure ?

En théorie, la mise en parallèle de diodes (qu'il s'agisse de modèles de faible ou forte puissance) est tout à fait possible. Mais pour que les courants soient équitablement répartis dans les deux ponts, il faut que ces derniers présentent des caractéristiques identiques ou tout du moins très proches. Il suffit que les seuils de conduction diffèrent un peu pour que les diodes qui conduisent en premier soient plus sollicitées. Et même si cette différence se fait plus sentir en début de conduction, cela conduit à un déséquilibre que l'on jugera tolérable ou non. Dans les enceintes asservies Philips RH541 (1976), deux ponts de diodes BY164 étaient ainsi montés en paralèle en sortie du transformateur d'alimentation. On peut penser qu'à l'époque, un unique pont de diodes de puissance équivalent à ce doublet, pouvait soit coûter trop cher, soit ne pas encore exister, soit ne pas inspirer confiance.

Aujourd'hui, je pense qu'on risque moins de trouver ce genre d'assemblage, tout du moins dans les équipements grand public de puissance modérée (jusqu'à quelques kW).

Choix du condensateur de filtrage

Le choix du type de condensateur à utiliser ici se porte sur une condensateur électrochimique, ce type de composant permettant une forte capacité sous un volume raisonnable. Restent à connaitre la valeur et la tension de service à utiliser...

Valeur capacitive

De la valeur capacitive du condensateur de filtrage principal et du courant consommé dépend la valeur de l'ondulation résiduelle. Cette dernière n'est ni plus ni moins que la composante alternative qui se superpose à la tension continue redressée, et que l'on peut comparer à la petite tâche de graisse qui reste toujours même après plusieur lavages. Si par exemple on mesure (avec un oscilloscope) une composante alternative d'amplitude 15 mV superposée à une tension de sortie de 15 V, l'ondulation résiduelle est alors de 0,1%.

Cette tension résiduelle, dont la valeur augmente avec le courant consommé (à partir d'un certain point quand on a affaire à une alimentation régulée en tension) doit rester aussi faible que possible, même si certains montages "peu sensibles" s'accomodent d'une composante résiduelle assez élevée. Notons que sa valeur est ici moins critique si l'alimentation doit fournir en énergie plusieurs modules qui possèdent chacun leur propre filtrage (voire une régulation individuelle), ce qui est le cas des tranches de certaines consoles de mixage par exemple.

Valeur "idéale" du condensateur de filtrage principal - AVEC calcul

La valeur C du condensateur de filtrage dépend de la chute de tension maximale Δu que l'on souhaite sur une période de temps Δt donnée, quand l'intensité de courant maximale i est atteinte. Cette valeur C se détermine normalement (quand on est rigoureux) avec la formule mathématique suivante (on assimile la courbe de décharge du condensateur entre deux crêtes de tension à une droite) :

C = i * (Δt / Δu)

C exprimé en Farads
i exprimée en ampères, correspond au courant débité maximal
Δt exprimée en secondes, correspond au temps qui sépare deux crêtes de tension (dépend de la fréquence du secteur)
Δu exprimée en volts, correspond à la chute de tension maximale désirée

Exemple : on dispose à la source d'une tension alternative de 18 V et on désire que cette tension redressée et filtrée ne descende pas en dessous de 18 V lorsque le courant débité i atteint la valeur de 1,2 A. La tension crête de la tension source vaut 25,45 V (18 Vac * racine de 2). La baisse de tension Δu vaut ainsi 7,45 V (25,45 V - 18 V). Calculons la valeur nécessaire de C pour répondre à cette exigence, dans le cas d'un redressement mono-alternance et dans le cas d'un redressement bi-alternances.

Avec un redressement mono-alternance, le temps Δt entre deux crêtes de tension est de 20 ms (0,02 s).
C = i * (Δt / Δu)
C = 1,2 * (0,02 / 7,45)
C = 0,0032 Farads, soit 3200 uF
Avec un redressement bi-alternance, le temps Δt entre deux crêtes de tension est de 10 ms (0,01 s).
C = i * (Δt / Δu)
C = 1,2 * (0,01 / 7,45)
C = 0,0016 Farads, soit 1600 uF

On met nettement en évidence l'intérêt d'un redressement en double alternance quand le courant demandé est élevé.

Valeur "idéale" du condensateur de filtrage principal - SANS calcul

Sans entrer dans les détails des formules mathématiques, on peut dire que la valeur du condensateur principal de filtrage devrait être de 1000 uF à 2200 uF par tranche de 1 A consommé. Dans la majorité des cas, 1000 uF suffisent si une stabilisation de la tension est assurée par la suite. Pour un étage d'amplification BF de forte puissance, qui utilise bien souvent une tension filtrée mais non régulée, il est d'usage de prendre 2200 uF par tranche de 1 A pour "compenser" l'absence de stabilisation.

Des petits condensateurs sur les gros ?

Sur les condensateurs de filtrage principaux (ceux de forte valeur), il est conseillé de placer en parallèle un condensateur de 100 nF à 1 uF, afin d'améliorer le comportement (d'assurer un meilleur filtrage) dans les plus hautes fréquences. La valeur de 100 nF que l'on voit souvent sur les schémas est déclarée insuffisante par plusieurs spécialistes en la matière (je n'en fais pas partie), qui préconisent plutôt des valeurs de l'ordre de 1 uF. Certains conseillent de placer trois condensateurs en parallèle sur le "gros" : un de 1 nF, un de 10 nF et un de 100 nF (ou 10 nF + 100 nF + 1 uF), chacun agissant sur une plage de fréquence différente et contribuant ainsi à réduire de façon plus efficace le bruit global. En réalité, je pense que tous ont raison, il faut simplement savoir ce que l'on cherche à alimenter, et connaitre les plages de fréquences mises en jeux ou critiques : un montage analogique avec bande passante 20 Hz à 40 kHz, et un montage numérique travaillant à 50 MHz ne réclament pas les mêmes moyens.

Tension de service

La tension de service du condensateur doit être en relation avec la tension crête qui lui est appliquée, la tension crête étant tout simplement la tension correspondant à la valeur la plus élevée de la sinusoïde de la tension alternative du secondaire du transformateur. Dans le cas d'un transfo de secondaire 24 V, la tension crête après redressement sera de l'ordre de 32 V (voir ci-avant), il faudra donc choisir un condensateur dont la tension de service sera de 40 V au minimum. Une tension de service plus élevée (63 V par exemple) conviendra aussi tout à fait, mais le condensateur sera un peu plus gros.

Usage en audio

Un condensateur n'est pas parfait, et il en existe de différentes qualités. Selon le contexte d'utilisation, certains condensateurs se comportent mieux que d'autres. Dans le domaine audio, il est important que les condensateurs se comportent correctement quand on leur demande de travailler à des fréquences aussi basses que 20 Hz ou aussi hautes que 15 KHz. Or, l'impédance interne d'un condensateur varie avec la fréquence d'utilisation, et à partir d'une certaine fréquence, cette impédance peut prend une valeur qui n'est plus négligeable.

Pour un condensateur chimique standard de forte valeur, on note une remontée de l'impédance interne assez importante aux alentours de quelques KHz, disons 5 KHz ou 7 KHz pour donner un ordre de grandeur. Un condensateur plastique additionnel de plus faible valeur (33 nF à 10 uF, selon la valeur du chimique principal et des courants mis en jeu), dont l'impédance commence à monter à une fréquence bien plus élevée, doit donc "prendre le relais" et pour cela doit être câblé en parallèle sur le condensateur chimique.

Il existe des condensateurs de qualité dont l'impédance reste faible même à des fréquences élevées (50 KHz ou plus). Ces condensateurs (Black Gate, Elna, BC série CO136) sont bien sûr recommandés en audio mais comme on peut s'en douter, ils coutent bien plus cher que les chimiques traditionnels. Avec ces condensateurs de qualité et en restant dans le domaine audio, il n'est généralement pas nécessaire de câbler un condensateur additionnel de faible valeur en parallèle.

Vieillissement des condensateurs de filtrage

Un condensateur utilisé pour le filtrage d'une alimentation vieillit d'autant plus vite qu'on le sollicite. Ca peut paraître bête à dire comme ça, mais comment est-il sollicité ? Principalement par le courant qu'il a emmagasiné et qu'on lui demande de restituer (il serait plus juste d'appeler ça de l'énergie), et par l'ensemble des "ondulations" et perturbations électriques qu'il reçoit à ses bornes.

Le fait de placer un condensateur de type mylar de faible valeur (par exemple plastique mylar MKT 100 nF ou 220 nF) en parallèle sur un condensateur chimique de forte valeur (par exemple 470 uF ou 2200 uF) contribue à augmenter la durée de vie de ce dernier, car l'ensemble des perturbations rapides sont absorbées en priorité par le petit condensateur.

Choix du régulateur de tension

Le régulateur de tension doit être choisi en fonction de la tension et du courant de sortie désirés. Il s'agira d'un régulateur de tension fixe si la tension nécessaire est connue d'avance, ou d'un régulateur de tension ajustable si la tension de sortie de l'alimentation doit pouvoir prendre plusieurs valeurs (alim de labo par exemple). Il existe une foule de régulateurs intégrés, mais les plus réputés sans sans nul doute ceux de la série 78xx (positifs fixes), 79xx (négatifs fixes), LM317 (positif ajustable) ou LM337 (négatif ajustable), qui permettent de fournir un courant de 1 A (1,5 A pour certains), ce qui suffit bien dans nombre de cas.

Ces régulateurs sont bien pratiques à mettre en oeuvre, mais il faut savoir que certains peuvent poser de petits soucis d'instabilité s'il ne sont pas bien cablés ou bien entourés. Instabilités qui peuvent se traduire par une oscillation parasite difficile ou impossible à déceler au voltmetre, car s'etablissant à des fréquences trop hautes (autour de 100 KHz, ce qui est totalement inaudible, directement tout du moins). Seul un oscilloscope permet de s'assurer de l'abscence totale d'oscillation.

Le problème de ces oscillations parasites devient encore plus ardu quand elles se manifestent par intermittance (accrochage suite à une surmodulation ou suite à une élevation de température). Un tel problème est généralement lié à une mauvaise conception de l'alimentation, à un mauvais routage des pistes du circuit imprimé, à un mauvais choix de composants (condensateur de valeur trop élevée à la sortie d'un régulateur par exemple).

Voir aussi Régulation d'alimentation.

Doit-on mettre un radiateur sur les régulateurs ?

Cela est conseillé la plupart du temps, et est nécessaire quand la dissipation thermique du régulateur (la température qu'il dégage) est importante. Cette dissipation thermique dépend principalement des facteurs suivants :

- différence de tension entre l'entrée et la sortie du régulateur
- courant débité par le régulateur
- température ambiante.

Exemple 1 : si la différence de tension entre l'entrée et la sortie du régulateur est de 6 V et que le courant débité est de 0,8 A, cela occasionne une dissipation de puissance de l'ordre de 4,8 W, ce qui est beaucoup pour un petit composant nu. Dans ce cas, il faut un radiateur.

Exemple 2 : si la différence de tension entre entre l'entrée et la sortie du régulateur est de 3 V (le minimum requis pour les régulateurs courants) et que le courant débité est de 0,1 A, cela occasionne une dissipation de puissance de l'ordre de 0,3 W, ce qui est plus raisonnable, aucun radiateur n'est ici nécesessaire si la température ambiante ne dépasse pas 35 °C.

Les régulateurs intégrés actuels possèdent une protection thermique qui les protègent contre la destruction en cas de surchauffe, mais c'est assez casse-pied d'avoir une alim qui se coupe toute seule à intervales réguliers... Aussi vaut-il mieux prévoir un radiateur dimensionné en fonction de ce que vous leur ferez subire. Le calcul du radiateur à utiliser dépend de la résistance thermique du boitier du régulateur, exprimée en °C/W (degrés Celcius par Watt), de la puissance maximale que doit dissiper le régulateur. Le datasheet du LM317, que vous trouverez sans problème avec un moteur de recherche internet tel que Google, explique bien cela (c'est en anglais mais on peut comprendre la base). Vous pouvez aussi, si vous préférez le français, consulter la page Radiateur : comment calculer ?, où j'ai essayé de décrire la méthode de calcul de la façon la plus simple que je pouvais.

Astuce : si vous concevez vous-même le circuit imprimé de votre alimentation, essayez de prévoir, dans la mesure du possible, un peu de surfaces de cuivre pleines reliées aux pattes du régulateur. Ces surfaces améliorent le refroidissement de la bête...

Séparation des rôles

Si votre réalisation audio comporte une partie analogique et une partie numérique - un convertisseur DA ou AD, ou même plus simplement un vu-mètre à LED - l'alimentation de la partie numérique doit être totalement indépendante. Ceci afin d'éviter que toutes les variations de courant causées par la partie numérique ne déteignent (bavent) sur la partie analogique.

Distribution des tensions régulées

Ne lésinez pas sur le diamètre des fils de cablage. Ceci même si votre montage ne consomme pas des ampères et des ampères. La raison en est simple : un fil de fort diamètre présente une résistivité moindre. Les différences de potentiel créées entre deux points d'alimentation identique s'en trouveront réduites au minimum, et le risque de ronflettes réduit par la même occasion.

Raccorder les masses de vos cables d'alimentation en un point unique.
Si votre alimentation fournie une même tension à plusieurs modules, effectuez le câblage en "étoile", et surtout pas en parallèle !

Couplage de plusieures alimentations

Il est des cas où il est nécessaire de coupler des alimentations par une mise en parallèle ou en série, pour respectivement augmenter le courant de sortie ou pour augmenter la tension de sortie. Quand les alimentations sont identiques et totalement isolées l'une de l'autre, le couplage ne pose aucun problème. Si elles sont différentes, le courant disponible avec leur mise en série correspond au courant que peut délivrer l'alimentation la moins costaud.

Les schémas qui suivent montrent que selon l'endroit où l'on place la référence (masse) on obtient des résultats différents. Et pourtant, les alimentations et leur interconnection sont identiques !

Il en va de même avec une alimention symétrique (double) :

En réalité, si on oublie le point de référence (masse sur les schémas), les différences de potentiel aux différents points de sortie sont rigoureusement identiques dans les deux cas. Le premier synoptique peut être utilisé si vous possédez un préampli micro qui fonctionne sous une tension d'alim simple de 24 V et que vous souhaitez doter ce préampli d'une alim phantom 48 V. Dans ce cas, l'usage de deux alimentations 24V vous permet, par leur mise en série, d'obtenir du +24 V et du +48 V, tous deux avec une référence 0 V (masse) identique.

Notons tout de même que ce genre de configuration est toléré si le courant total demandé sur les deux sorties +24 V et +48 V n'excède pas les capacités de la première alimentation 24 V. Le second synoptique est un classique d'alimentation symétrique réalisée avec deux alims totalement séparée.

Historique

26/09/2021
- Ajout formule de calcul des condensateurs de filtrage principaux.

17/05/2020
- Ajout autre principe permettant l'obtention d'une sortie symétrique avec un secondaire unique.

07/04/2019
- Ajout infos concernant le couplage de plusieurs alimentations.

10/03/2013
- Ajout infos sur alim HT avec self de lissage.

20/11/2011
- Ajout paragraphe Pont de diodes en parallèle.