Multiplicateurs de tension

 

Les multiplicateurs de tension présentés ici sont prévus pour doubler, tripler, quadrupler, etc... une tension alternative, avec seulement quelques diodes et condensateurs. Ils ne peuvent pas fonctionner à partir d'une tension continue, donc inutile de compter dessus pour alimenter votre autoradio 12V sur une vieille 2CV équipée de sa batterie 6V.

Conservation d'énergie

Même si on fait abstraction des pertes dans les composants électroniques utilisés, vous vous imaginez bien que la puissance disponible en sortie d'un multiplicateur de tension ne peut être plus élevée que celle disponible à son entrée. En utilisant bêtement la formule P(watts) = U(volts) x I(ampères), on se rend compte que pour une puissance donnée P, une tension U doublée correspond un courant I divisé par deux. Et que pour une tension U multipliée par quatre, le courant disponible I est divisé par quatre. Et ce, j'insiste bien, dans le meilleur des cas, qui ne peut exister dans ce qu'on appelle le monde réel, puisque faisant partie de la théorie.

Doubleur de tension de Latour

Le doubleur de Latour est constitué de deux diodes et de deux condensateurs, câblés comme le montre le schéma suivant.

Principe de fonctionnement

Il est assez simple à assimiler. Si de façon arbitraire on considère le point AC2 comme point de référence (0 V ou masse, comme vous voulez), on constate que la diode D1 ne conduit que pendant les alternances positives (tension au point AC1 supérieure à la tension au point AC2), et que la diode D2 ne conduit que pendant les alternances négatives (tension au point AC1 inférieure à la tension au point AC2). Durant les alternances positives, le condensateur C1 se charge pendant que le condensateur C2 est isolé (la diode D2 étant bloquée). Et durant les alternances négatives, le condensateur C2 se charge pendant que le condensateur C1 est isolé (la diode D1 étant bloquée). On retrouve donc aux bornes de chacun des condensateurs C1 et C2 une tension identique, et comme ces deux condensateurs sont montés en série, on dispose bien d'une tension double aux extrêmes. Notez que si l'on décide d'utiliser le point AC2 comme référence de tension commune (masse), on dispose d'une alimentation symétrique +/-V, avec un transformateur à secondaire unique sans point milieu :


(Alimentation avec transformateur

Valeur des tensions...

Dans ce schéma, on soumet une tension de 12 Vac à l'entrée du doubleur de tension, qui restitue en sortie une tension voisine de 32V. Fichtre, une tension de 12 V qui une fois doublée en valeur donne du 32 V ! N'oubliez pas que le 12 Vac est une valeur efficace, et que l'on procède ici à un redressement / filtrage qui met en évidence la valeur crête de la tension sinusoïdale d'entrée. 12 Veff correspond à 12 V(eff) x 1,41 = 17 V(crête) environ. C'est cette tension crête qui est multipliée par deux. Donc 17 V x 2 = 34 V. Comme les diodes ne sont pas parfaites et présentent une chute de tension de l'ordre de 0,6 V chacune, on retrouve bien notre tension de 32,8 V affichée sur le voltmètre du schéma. Remarquez que nous ne sommes pas au dixième de volt près, l'important est de retenir l'ordre de grandeur.

Remarque : chaque condensateur doit avoir une tension de service au moins égale à la valeur crête de la tension d'entrée.

Et la consommation ?

Dans le schéma présenté ci-avant, la mesure de la tension en sortie du doubleur se faisait en haute impédance, c'est à dire que le courant débité était très faible. Condition idéale pour disposer d'une source de tension continue de bonne valeur et surtout assez stable. Dans la pratique, on souhaitera souvent disposer d'un courant suffisant pour alimenter quelque électronique, et le courant demandé devra pouvoir atteindre quelques dizaines ou centaines de milliampères, ou même pourquoi pas quelques ampères. On se trouve alors en face d'un problème similaire à celui posé par un montage redresseur / filtrage classique : plus on va demander de courant, et plus la tension en sortie du doubleur va chuter et présenter une tension alternative résiduelle importante. Voici ci-après deux montages placés en comparaison, mettant en évidence la différence de la qualité de la tension de sortie en fonction du courant consommé en sortie. Le premier schéma montre ce qu'on obtient avec un courant de sortie de 3 mA (chargé sous RLA = 10 KOhms), et le second schéma montre ce qu'on obtient avec un courant de sortie de 220 mA (chargé sous RLB = 100 Ohms).

multiplicateur_tension_001ab

Avec le premier schéma, la tension continue de sortie est de 32 V et l'ondulation résiduelle de 21 mV (soit moins de 0,1 %), alors qu'avec le second schéma la tension de sortie moyenne est de 22 V avec une ondulation résiduelle de plus de 6 V (soit plus de 25 %). Il va de soi que ce second schéma n'est pas acceptable, sauf si bien sûr le circuit alimenté s'accommode d'une telle tension (on peut très bien l'imaginer doté d'une régulation additionnelle). Il convient donc de dimensionner correctement la valeur capacitive des condensateurs.

Doubleur de tension Schenkel

Bien qu'utilisant un nombre de composants identique au doubleur de Latour pour un résultat similaire, une différence fondamentale s'impose visuellement : l'utilisation d'un condensateur en série au niveau de l'entrée.



Un condensateur présente une caractéristique résistive appelée capacitance, qui dépend d'une part de la fréquence du signal électrique qui le traverse, et d'autre part de sa propre valeur capacitive. La formule mathématique permettant de connaître cette valeur résistive est donnée à la page Alimentations sans transformateur (à laquelle vous pouvez vous reporter si vous souhaitez d'autres exemples pratiques), et est rappelée ci-après.

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. Avec une valeur de 470 uF comme exploitée dans le schéma précédent, on peut s'attendre à pouvoir disposer d'un courant maximal de :

Usage d'un condensateur de 470 uF (0.00047 Farad) à la fréquence de 50 Hz : 
Xc = 1 / (2 * 3.14 * 50 * 0.00047) = 6,8 ohms
Si tension d'entrée = 17 V et tension de sortie = 0,6 V (condition de court-circuit tenant compte de la présence de la diode D2), alors
I = (17 - 0,6) / 6,8 = 2,4 A

Mais bien entendu, la tension de sortie ne sera plus vraiment exploitable avant cette valeur de courant extrême. Voici d'ailleurs ce que l'on obtient déjà avec un courant de sortie moyen de 200 mA.

Influence de la consommation sur la qualité de la tension de sortie

Même remarque que précédemment.



Vous voyez que la valeur du courant max de court-circuit est bien loin de la valeur max que l'on pourrait accepter en pratique... Et on peut considérer qu'une valeur capacitive de 470 uF permettant un débit de quelques centaines de mA (disons 500 mA pour fixer l'ordre de grandeur) est déjà bien suffisant pour un grand nombre d'applications.

Remarques

- Le doubleur de Schenkel présente une tension de sortie dont l'ondulation résiduelle est à 50 Hz, contrairement au doubleur de Latour où l'ondulation est de 100 Hz et donc plus facile à filtrer.

- La valeur du premier condensateur (C1) est déterminante pour le courant de sortie max. La valeur du second (C2) conditionne plutôt la qualité du filtrage.

- Chaque condensateur doit avoir une tension de service au moins égale à la tension crête d'entrée, excepté le dernier qui doit pouvoir supporter la totalité de la tension de sortie.

Multiplicateur de tension de Latour

Le principe est le même qu'avec le doubleur de tension du même personnage, il suffit de placer en cascade plusieurs étages diode + condensateur.

Multiplicateur de tension de Schenkel

Là aussi, la mise en cascade de plusieurs étages diode + condensateur suffit pour augmenter un peu plus la tension d'entrée. Le câblage est certes différent, mais là encore pas de grandes différences sur le plan physique du circuit

Je dispose d'une tension continue...

Insistant, n'est-ce pas... Oui, on peut. Mais pour pouvoir, il faut déjà transformer la tension continue en une tension alternative, ce qui ne peut se faire qu'au travers d'un oscillateur et d'éléments de commutation qui apportent eux aussi leur lot de pertes et amoindrissent d'autant plus le rendement général. 

 

 

 

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