Les convertisseurs de puissance et leurs nombreuses utilisations

Convertisseur de puissance

Un convertisseur de puissance power-converter-main.jpg

Figure 1 : Un convertisseur de puissance

Un convertisseur de puissance est un circuit électrique qui convertit l'énergie électrique d'une forme à une autre, généralement en utilisant une action de commutation à haute fréquence. Cette conversion peut se faire du courant continu au courant alternatif ou du courant alternatif au courant continu pour augmenter ou diminuer la tension ou changer la polarité. De plus, le convertisseur agit comme un lien entre la source d'énergie et la sortie de l'alimentation. Il a pour fonction de traiter et de contrôler le flux d'énergie électrique en fournissant des courants et une tension sous la forme requise pour les charges de l'utilisateur final. Les convertisseurs sont disponibles sous la forme d'un simple transformateur ou peut-être plus complexe, selon l'application. Cet article traite des différents types de convertisseurs de puissance.

Table des matières

Courant alternatif contre courant continu

Le courant alternatif (CA) désigne le courant électrique qui inverse périodiquement son sens. C'est ce type de courant qui alimente votre maison ou votre entreprise. Il s'agit de la prise sur laquelle les appareils sont branchés. Les alternateurs produisent des courants alternatifs.

En revanche, le courant continu (CC) ne circule que dans un sens. Dans un courant continu, les électrons se déplacent d'une région de charge négative à une région de charge positive sans changer de direction. La source d'énergie la plus fréquente pour le courant continu est la batterie, qui alimente les téléphones portables, les automobiles et les lampes de poche.

Types de convertisseurs de puissance

Le type de conversion catégorise les convertisseurs de puissance. Ils se répartissent généralement en quatre catégories :

  • Convertisseurs de courant alternatif en courant continu : Les convertisseurs CA/CC convertissent le courant alternatif en courant continu à l'aide d'un redresseur.
  • Convertisseurs de courant continu en courant alternatif : Les convertisseurs CC-CA prennent un courant continu et le convertissent en un courant alternatif de la tension et de la fréquence souhaitées. Ce sont des onduleurs.
  • Convertisseurs CC à CC : Ces convertisseurs transforment un courant constant en un courant continu variable ou constant. Ces dispositifs sont également appelés choppers.
  • Convertisseurs CA à CA : Les convertisseurs CA à CA sont souvent appelés cycloconvertisseurs ou convertisseurs matriciels. Ces dispositifs convertissent un courant alternatif d'une fréquence ou d'une tension spécifique provenant d'une source de courant alternatif de ligne en une tension alternative différente.

Convertisseurs CA-CC

L'un des éléments essentiels de la conversion électrique est le passage des courants alternatifs aux courants continus. Ces applications, appelées convertisseurs CA-CC, convertissent le courant alternatif en un courant continu unidirectionnel. Lestransformateurs ajustent la source de courant alternatif, réduisant la tension pour une meilleure plage opérationnelle de l'alimentation en courant continu. Cette conversion du courant alternatif en courant continu est devenue importante ces dernières années en raison de la quantité de technologies présentes dans les foyers qui nécessitent un courant continu pour se recharger.

Cette conversion du courant alternatif en courant continu est un redressement, et le convertisseur est appelé un redresseur. De plus, une série de diodes convertit l'alimentation AC en DC. Cela transforme l'onde CA sinusoïdale en une série de pics positifs. Un transformateur ajuste le courant de la source à une tension plus gérable pour l'utiliser sur l'alimentation en courant continu.

Processus de conversion du courant alternatif en courant continu

L'alimentation en courant alternatif provenant du transformateur abaisseur est convertie en courant continu au niveau de la connexion côté charge à l'aide du redresseur. Tous les redresseurs ne sont pas identiques, et les différents types se réfèrent à leurs fonctions, à savoir les redresseurs demi-onde, pleine onde et pont.

Un redresseur demi-onde ou un redresseur pleine onde peut être utilisé pour convertir une tension alternative en tension continue. Une tension alternative (étiquetée A) est appliquée aux enroulements primaires du transformateur abaisseur (figure 2 étiquetée B). Une tension correspondante est induite dans les enroulements secondaires. Souvent, les transformateurs diminuent la tension pour l'utiliser dans des équipements qui ont besoin d'une alimentation à un niveau inférieur. Lorsqu'un courant alternatif de 230 volts est disponible, le transformateur abaisseur peut le convertir en 12 volts.

La diode (figure 2 appelée D) devient polarisée dans le sens direct (état ON) et conduit le courant initiant le passage du courant à travers la résistance de charge (figure 2 appelée R). Une diode permet au courant de circuler dans un seul sens. Pendant le cycle négatif de la tension d'entrée, une tension négative correspondante est induite dans le côté secondaire, et la diode ne conduit pas. Par conséquent, il n'y a pas de flux à travers la résistance de sortie pendant le cycle négatif de la tension d'entrée car la diode se comporte comme un circuit ouvert. Par conséquent, la sortie ne donne que des cycles positifs alternés.

Circuit redresseur demi-onde

Figure 2 : Circuit redresseur demi-onde

Pour des applications pratiques, un condensateur est connecté à la sortie en parallèle avec la résistance (voir figure 3). Le condensateur agit comme un filtre pour lisser la tension de sortie pulsée au niveau approprié du courant continu. Lisez notre article sur les transformateurs de courant alternatif en courant continu pour plus de détails sur le processus de rectification.

Un circuit intégré régulateur de tension régule la tension de sortie à la valeur fixe souhaitée. C'est l'étape finale de la conversion du courant alternatif en courant continu dans la tension de sortie au volume souhaité.

Redresseur demi-onde avec filtre à condensateur

Figure 3 : Redresseur demi-onde avec filtre à condensateur

Avantages d'un convertisseur CA-CC

Un convertisseur de courant alternatif en courant continu présente trois avantages importants.

  • Compact : Les appareils qui nécessitent des convertisseurs CA-CC utilisent les plus petites tailles possibles pour convertir le courant efficacement, ce qui permet d'obtenir des appareils plus petits. Dans un environnement industriel, les convertisseurs CA-CC sont légers et faciles à installer.
  • Efficacité énergétique : Les convertisseurs AC-DC éliminent le besoin de convertisseurs et d'onduleurs supplémentaires car ils sont efficaces et réduisent les pannes d'équipement.
  • Moins coûteux : La conversion du courant à une tension inférieure permet aux utilisateurs de réaliser des économies d'énergie.

Applications

Les convertisseurs de courant alternatif en courant continu sont utilisés dans la plupart des appareils ménagers, tels que les réfrigérateurs, les ordinateurs, les téléviseurs et les chargeurs pour les appareils électroniques portatifs comme les téléphones portables ou les tablettes. Ils jouent également un rôle essentiel dans les équipements médicaux, l'industrie aérospatiale et les systèmes de transport. Les usages domestiques et industriels font largement appel aux convertisseurs CA-CC.

Convertisseurs CC-CA

Une conversion moins fréquente est peut-être celle du courant continu au courant alternatif. Un onduleur convertit un courant continu, unidirectionnel, en un courant alternatif, inversé. Les convertisseurs de courant continu en courant alternatif peuvent être conçus de multiples façons. Une méthode courante consiste à utiliser un oscillateur et un transformateur élévateur.

Un oscillateur est un circuit électronique utilisant des transistors et d'autres dispositifs semi-conducteurs pour générer un signal alternatif à partir d'une petite source de tension continue. Le signal alternatif peut ensuite être augmenté à l'aide d'un transformateur élévateur jusqu'à l'amplitude de tension souhaitée.

Limites de la conversion de courant continu en courant alternatif

La conversion du courant continu en courant alternatif présente quelques limites.

  • L'utilisation de transistors réduit l'efficacité du circuit.
  • Les transistors de commutation peuvent entraîner une distorsion de type cross-over mais celle-ci peut être réduite par des diodes de blasing.

Applications

L'utilisation principale du courant continu en courant alternatif permet de charger les batteries des véhicules. Mais ce courant peut également alimenter des moteurs à courant alternatif de faible puissance et des systèmes à énergie solaire.

Convertisseur de courant continu en courant alternatif utilisé dans les voitures

Figure 4 : Convertisseur de courant continu en courant alternatif utilisé dans les voitures

Convertisseurs CC à CC

Certaines applications consistent à convertir une source de courant continu en une autre tension de courant continu. Un convertisseur CC-CC tire une tension d'entrée CC à son entrée et fournit une tension CC différente. La tension continue de sortie peut être inférieure ou supérieure à la tension d'entrée appliquée. Les convertisseurs CC-CC sont disponibles sous forme de circuits intégrés (CI) individuels, ne nécessitant que très peu de composants supplémentaires pour leur fonctionnement.

Applications

Les téléphones cellulaires et les ordinateurs portables sont alimentés par des piles mais contiennent des sous-circuits qui régulent les besoins en tension différents de ceux des piles.

Convertisseurs CA à CA

Les convertisseurs de courant alternatif font référence à un dispositif qui convertit une forme d'onde de courant alternatif d'une forme à une autre. La tension et la fréquence de sortie sont gérées en fonction de l'utilisation et des besoins de l'appareil. L'un des moyens d'y parvenir est d'utiliser des dispositifs semi-conducteurs spéciaux (comme les thyristors) pour activer et désactiver la tension d'entrée dans un circuit, de manière à pouvoir faire varier la tension moyenne à la sortie en fonction de l'application.

Applications

Des applications simples peuvent permettre de contrôler la vitesse des moteurs, de faire varier l'intensité des lampes ou de contrôler la chaleur.

FAQs

A quoi sert un convertisseur de puissance ?

Les convertisseurs de puissance sont essentiels pour prendre le courant électrique alternatif de nos maisons et le convertir en courant continu utilisé pour alimenter les appareils, charger les batteries et faire fonctionner les équipements de bureau.

Les chargeurs de téléphone ont-ils besoin d'un convertisseur ?

La plupart des appareils mobiles qui nécessitent un chargeur de batterie n'ont pas besoin d'un convertisseur séparé.

En quoi les convertisseurs et les onduleurs sont-ils différents ?

Un convertisseur convertit le courant alternatif en courant continu, tandis qu'un onduleur convertit le courant continu en courant alternatif.