Pour de faibles puissances, on peut se passer du transfo et du pont de diodes traditionnel ou de l'alimentation à découpage. Des solutions beaucoup plus économiques existent si on ne souhaite que quelques mA. En effet, un transfo ou un ensemble MOSFET/inductance/régulateur sont chers et encombrants. Ils peuvent être plus chers que le reste du circuit à alimenter ! Les alimentations sans transfo offrent un faible coût et sont une alternative très intéressante. Il existe 2 types d'alimentation :
- alimentation résistive
- alimentation capacitive
Une alimentation capacitive est aussi appelée "alimentation à capa chutrice". La "capa chutrice" traduit l'idée que la chute de tension se fait aux bornes de la "capa". "Capa" est un abrégé (assez laid ?) de "capacité", donc "condensateur" par abus de langage (métonymie).
Cet article présente l'alimentation capacitive (donc sans transfo). L'alimentation résistive est présentée dans un autre article.
Alimentation capacitive sans transfo 5V / 10mA
La phase et le neutre peuvent être intervertis.
Courant de sortie maximal délivré par l'alimentation capacitive
La capa chutrice c1 joue le rôle d'une résistance en alternatif. Il faut lui assurer charge ET décharge à chaque période secteur, d'où l'intérêt de la zener qui conduit dans les 2 sens. Son avantage est de ne dissiper aucune chaleur. Son impédance Z se calcule ainsi :
f : fréquence du réseau (50Hz en Europe)
C1 : valeur de la capa chutrice C1 en Farad, on peut prendre le pire cas (multiplier par 0.8 pour un condensateur à 20%)
Pi : 3.14 (vous le savez bien... mais vous ne savez plus depuis quand :D)
Pour 100nF, on obtient 32kOhms.
On ne s'intéresse ici pas au déphasage courant-tension traduit par la valeur complexe de l'impédance.
Le courant de sortie maximal de l'alimentation capacitive se calcule avec :
VRMS : tension efficace du réseau (230V en France...)
Vz : tension Zener
f : fréquence du réseau (50Hz en Europe...)
C1, R1 : valeur des composants en Farad et Ohms
Pi : 3.14 (on se répète...)
Une alimentation capacitive a souvent pour but de fournir une tension petite devant la tension réseau (5V, 12V, etc). On peut ainsi négliger Vz devant VRMS. De plus, l'impédance de R1 doit être faible devant l'impédance de C1 pour minimiser la dissipation dans R1. On peut ainsi négliger R1.
D'où la relation simplifiée pour l'alimentation capacitive :
Le courant de sortie maximal est proportionnel à C1. On peut prendre une marge et surdimensionner un peu la valeur de C1 !
Pour 230V / 50Hz, on a la proportionnalité :
100nF : 5mA
200nF : 10mA
...
1uF : 50mA
L'usage consiste à ne pas dépasser 1uF (encombrement excessif, mauvaise immunité aux ondes de choc et surtension, puissance réactive trop importante).
Mise en pratique d'une alimentation capacitive 5V / 10mA (230V, 50Hz, 200nF)
Charge : 10kOhms
On observe ci dessous comment réagit une alimentation capacitive avec différentes charges. Une résistance de charge est connectée à la sortie de l'alimentation capacitive (entre +5V et 0V). La charge de 10kOhms consomme 0.45mA environ. Le temps de montée de la tension de sortie est de 0.28s environ. Ce temps de montée est dû à la charge initiale de C2. La tension de sortie se stabilise correctement autour de 4.5V
Démarrage de l'alimentation capacitive avec 10 kOhms
Charge : 500 Ohms
Si on augmente le courant de sortie, le comportement de l'alimentation capacitive change. La charge est cette fois-ci de 500 Ohms (9mA à 4.5V). L'alimentation capacitive délivre pratiquement son courant maximal (10mA). Le temps de montée de la tension de sortie est rallongé parce que le courant dévié par la résistance ralentit la charge de C2. La tension de sortie se stabilise autour de 4.1V. L'ondulation est plus prononcée à cause du courant de sortie plus élevé.
Démarrage de l'alimentation capacitive avec 500 Ohms
Charge : 270 Ohms (surcharge)
Si on augmente encore le courant de sortie, la tension de sortie va se stabiliser à une valeur inférieure au niveau souhaité. Il faudrait 16mA pour garantir 4.5V aux bornes de la charge de 270 Ohms. Ce courant ne peut pas être fourni par l'alimentation capacitive et la tension de sortie stagne à une valeur correspondant à 10mA dans 270 Ohms (2.7V environ).
Démarrage de l'alimentation capacitive avec 270 Ohms
Caractéristique tension - courant de l'alimentation capacitive
On obtient ainsi cette allure de caractéristique
Caractéristique tension - courant de l'alimentation capacitive
La tension est assez stable jusqu'à ce que le courant maximal soit atteint. Ensuite, l'alimentation capacitive fonctionne en "source" de courant, c'est-à-dire en limiteur de courant.
Puissance dissipée et dimensionnement des composants
La dissipation de puissance (chaleur) entre en jeu dans la conception d'une alimentation capacitive. On peut choisir les composants avec une puissance nominale au moins égale au double de la puissance dissipée dans le pire cas (230V + 10%, C1 + 20%, etc). Pour les tensions et courants alternatifs, on utilise les valeurs efficaces.
Choix de R1
Pour l'alimentation capacitive, la valeur de R1 doit être :
- suffisamment faible pour ne pas dissiper trop de chaleur
- suffisamment grande pour limiter l'appel de courant dû à la charge brutale de C1 via R1 et DZ1
- suffisamment grande pour immuniser contre les surtensions secteur et ondes de choc.
Le courant qui circule dans R1 existe lors des 2 alternances du secteur. Il vaut le courant efficace maximal Imax disponible en sortie (déjà calculé plus haut).
P = R1.Imax²
Cette puissance ne dépend pas du courant en sortie.
On peut choisir des valeurs entre 100 Ohms et 1kOhm (470 Ohms par exemple).
Choix de C1
C1 supporte la tension secteur et doit donc être de classe X2 250V alternatifs. Des fabricants peu scrupuleux utilisent des condensateurs non polaires 250VDC ! Aucune protection contre les surtensions du réseau n'est garantie, c'est dangereux et peu responsable !
La classe X2 est prévue pour des applications définies par la norme IEC664 et tient compte des surtensions du réseau (catégorie II). On les branche directement entre phase et neutre, ils conçus pour ça.
Condensateurs X2 utilisables pour une alimentation capacitive
Choix de la zener DZ1
Sa tension zener fixe la tension de sortie. En effet, la tension de sortie vaut Vz - 0.7V (chute de tension dans D1).
Le plus grand courant traversant la zener DZ1 existe lorsqu'il n'y a pas de charge en sortie (à vide). La puissance dissipée par DZ1, est toujours inférieure à :
P = Vz.Imax²
Un modèle 1.3W est souvent suffisant.
Choix de D1
Le courant moyen dans la diode est égal au courant dans la diode. La tension inverse maximale vaut Vz. Une diode 1N4001 (redressement standard) convient.
Choix du condensateur chimique C2
Pour avoir de la marge, la tension nominale de C2 doit être le double de la tension zener (10V pour une zener 5.1V par exemple). Sa valeur dépend de l'ondulation acceptable.
Choix de R2
R2 permet à C1 de se décharger lorsque l'alimentation capacitive est déconnectée du secteur. Sa valeur est choisie entre 470k et 1MOhm. On propose un modèle 1W non pas pour la puissance à dissiper mais pour supporter la tension secteur (risque de claquage à l'intérieur). On peut aussi mettre en série 2 résistances 1/4W ou CMS de taille 1206 prévus pour 200V.
Attention : si R2 n'est pas montée, on peut prendre une bonne pichenette en touchant la fiche secteur de l'alimentation débranchée ! En effet, rien ne permet à C1 de se décharger... sauf si on touche la fiche secteur.
Court-circuit en sortie de l'alimentation capacitive
Aucun danger en cas de court-circuit de la sortie de l'alimentation capacitive. L'impédance de C1 limite le courant à la valeur maximale calculée ci dessus. Ces alimentations rudimentaires sont naturellement protégées contre les courts-circuits.
Alimentation capacitive à pont de diodes
Pour utiliser les 2 alternances du secteur et augmenter de 40% le courant de sortie et réduire de 50% l'ondulation avec la même capacité, on peut réaliser l'alimentation capacitive à pont de diodes :
Alimentation capacitive à pont de diodes
La capacité C2 est rechargée toutes les 10ms au lieu de toutes les 20ms. Pour une même ondulation, une valeur réduite de moitié suffit (220uF au lieu de 470uF).
Cependant, la tension de sortie n'est pas référencée au neutre ou à la phase, comme c'est le cas lorsqu'il n'y a qu'une diode.
Pour allumer 20 LED en série (ampoule 1W à LED du commerce), voir l'article :
http://www.astuces-pratiques.fr/electronique/ampoule-a-led-montage-a-capa-chutrice
Lorsqu'on branche l'alimentation capacitive à pont de diodes, l'appel de courant va charger C2 et non traverser brutalement DZ1.
Alimentation capacitive et stabilisée
Une alimentation stabilisée peut être obtenue en plaçant un régulateur de tension en sortie de l'alimentation capacitive. Rien n'empêche cette utilisation.
Note : un convertisseur spécialisé est le MAX610 (convertisseur 220VAC vers 5VDC).
Alimentation capacitive symétrique
Une alimentation symétrique s'obtient en mettant en série deux zener identiques. Le courant de sortie est identique et ne dépend que de la capa chutrice C1.
Alimentation capacitive symétrique +/-15V 14mA
Avantages et inconvénients de l'alimentation capacitive
Avantages de l'alimentation capacitive
- Réellement plus petite qu'une alimentation à transfo classique
- Beaucoup plus économique qu'une alimentation à transfo
- Pas de dissipation de chaleur dans la capa chutrice C1
- Aucun danger en cas de court-circuit de la sortie
- Tension de sortie référencée au neutre ou à la phase : possibilité de commander un triac.
- +40% de courant et -50% d'ondulation avec pont de diodes
Inconvénients de l'alimentation capacitive
- Pas d'isolation électrique entre secteur et sortie
- courant de sortie limité à 50mA environ
- Tension de sortie NON référencée au neutre ou à la phase pour l'alimentation capacitive à pont de diodes
Conclusion sur l'alimentation capacitive
Les alimentations sans transfo sont très bon marché et moins encombrantes que leurs homologues à transfo ou à découpage. L'absence d'isolation électrique limite leurs usages et les manipulations doivent se faire avec grande prudence.
ATTENTION : Un risque de choc électrique existe lors de manipulations d'alimentation résistive ou capacitive. La sortie basse tension N'EST PAS ISOLEE du secteur ! L'utilisateur doit donc être très prudent et conscient des risques de surtensions transitoires éventuelles sur son réseau. Un transfo d'isolement peut être utilisé lors des expérimentations.
- alimentation résistive
- alimentation capacitive
Une alimentation capacitive est aussi appelée "alimentation à capa chutrice". La "capa chutrice" traduit l'idée que la chute de tension se fait aux bornes de la "capa". "Capa" est un abrégé (assez laid ?) de "capacité", donc "condensateur" par abus de langage (métonymie).
Cet article présente l'alimentation capacitive (donc sans transfo). L'alimentation résistive est présentée dans un autre article.
Alimentation capacitive sans transfo 5V / 10mA
La phase et le neutre peuvent être intervertis.
Courant de sortie maximal délivré par l'alimentation capacitive
La capa chutrice c1 joue le rôle d'une résistance en alternatif. Il faut lui assurer charge ET décharge à chaque période secteur, d'où l'intérêt de la zener qui conduit dans les 2 sens. Son avantage est de ne dissiper aucune chaleur. Son impédance Z se calcule ainsi :
f : fréquence du réseau (50Hz en Europe)
C1 : valeur de la capa chutrice C1 en Farad, on peut prendre le pire cas (multiplier par 0.8 pour un condensateur à 20%)
Pi : 3.14 (vous le savez bien... mais vous ne savez plus depuis quand :D)
Pour 100nF, on obtient 32kOhms.
On ne s'intéresse ici pas au déphasage courant-tension traduit par la valeur complexe de l'impédance.
Le courant de sortie maximal de l'alimentation capacitive se calcule avec :
VRMS : tension efficace du réseau (230V en France...)
Vz : tension Zener
f : fréquence du réseau (50Hz en Europe...)
C1, R1 : valeur des composants en Farad et Ohms
Pi : 3.14 (on se répète...)
Une alimentation capacitive a souvent pour but de fournir une tension petite devant la tension réseau (5V, 12V, etc). On peut ainsi négliger Vz devant VRMS. De plus, l'impédance de R1 doit être faible devant l'impédance de C1 pour minimiser la dissipation dans R1. On peut ainsi négliger R1.
D'où la relation simplifiée pour l'alimentation capacitive :
Le courant de sortie maximal est proportionnel à C1. On peut prendre une marge et surdimensionner un peu la valeur de C1 !
Pour 230V / 50Hz, on a la proportionnalité :
100nF : 5mA
200nF : 10mA
...
1uF : 50mA
L'usage consiste à ne pas dépasser 1uF (encombrement excessif, mauvaise immunité aux ondes de choc et surtension, puissance réactive trop importante).
Mise en pratique d'une alimentation capacitive 5V / 10mA (230V, 50Hz, 200nF)
Charge : 10kOhms
On observe ci dessous comment réagit une alimentation capacitive avec différentes charges. Une résistance de charge est connectée à la sortie de l'alimentation capacitive (entre +5V et 0V). La charge de 10kOhms consomme 0.45mA environ. Le temps de montée de la tension de sortie est de 0.28s environ. Ce temps de montée est dû à la charge initiale de C2. La tension de sortie se stabilise correctement autour de 4.5V
Démarrage de l'alimentation capacitive avec 10 kOhms
Charge : 500 Ohms
Si on augmente le courant de sortie, le comportement de l'alimentation capacitive change. La charge est cette fois-ci de 500 Ohms (9mA à 4.5V). L'alimentation capacitive délivre pratiquement son courant maximal (10mA). Le temps de montée de la tension de sortie est rallongé parce que le courant dévié par la résistance ralentit la charge de C2. La tension de sortie se stabilise autour de 4.1V. L'ondulation est plus prononcée à cause du courant de sortie plus élevé.
Démarrage de l'alimentation capacitive avec 500 Ohms
Charge : 270 Ohms (surcharge)
Si on augmente encore le courant de sortie, la tension de sortie va se stabiliser à une valeur inférieure au niveau souhaité. Il faudrait 16mA pour garantir 4.5V aux bornes de la charge de 270 Ohms. Ce courant ne peut pas être fourni par l'alimentation capacitive et la tension de sortie stagne à une valeur correspondant à 10mA dans 270 Ohms (2.7V environ).
Démarrage de l'alimentation capacitive avec 270 Ohms
Caractéristique tension - courant de l'alimentation capacitive
On obtient ainsi cette allure de caractéristique
Caractéristique tension - courant de l'alimentation capacitive
La tension est assez stable jusqu'à ce que le courant maximal soit atteint. Ensuite, l'alimentation capacitive fonctionne en "source" de courant, c'est-à-dire en limiteur de courant.
Puissance dissipée et dimensionnement des composants
La dissipation de puissance (chaleur) entre en jeu dans la conception d'une alimentation capacitive. On peut choisir les composants avec une puissance nominale au moins égale au double de la puissance dissipée dans le pire cas (230V + 10%, C1 + 20%, etc). Pour les tensions et courants alternatifs, on utilise les valeurs efficaces.
Choix de R1
Pour l'alimentation capacitive, la valeur de R1 doit être :
- suffisamment faible pour ne pas dissiper trop de chaleur
- suffisamment grande pour limiter l'appel de courant dû à la charge brutale de C1 via R1 et DZ1
- suffisamment grande pour immuniser contre les surtensions secteur et ondes de choc.
Le courant qui circule dans R1 existe lors des 2 alternances du secteur. Il vaut le courant efficace maximal Imax disponible en sortie (déjà calculé plus haut).
P = R1.Imax²
Cette puissance ne dépend pas du courant en sortie.
On peut choisir des valeurs entre 100 Ohms et 1kOhm (470 Ohms par exemple).
Choix de C1
C1 supporte la tension secteur et doit donc être de classe X2 250V alternatifs. Des fabricants peu scrupuleux utilisent des condensateurs non polaires 250VDC ! Aucune protection contre les surtensions du réseau n'est garantie, c'est dangereux et peu responsable !
La classe X2 est prévue pour des applications définies par la norme IEC664 et tient compte des surtensions du réseau (catégorie II). On les branche directement entre phase et neutre, ils conçus pour ça.
Condensateurs X2 utilisables pour une alimentation capacitive
Choix de la zener DZ1
Sa tension zener fixe la tension de sortie. En effet, la tension de sortie vaut Vz - 0.7V (chute de tension dans D1).
Le plus grand courant traversant la zener DZ1 existe lorsqu'il n'y a pas de charge en sortie (à vide). La puissance dissipée par DZ1, est toujours inférieure à :
P = Vz.Imax²
Un modèle 1.3W est souvent suffisant.
Choix de D1
Le courant moyen dans la diode est égal au courant dans la diode. La tension inverse maximale vaut Vz. Une diode 1N4001 (redressement standard) convient.
Choix du condensateur chimique C2
Pour avoir de la marge, la tension nominale de C2 doit être le double de la tension zener (10V pour une zener 5.1V par exemple). Sa valeur dépend de l'ondulation acceptable.
Choix de R2
R2 permet à C1 de se décharger lorsque l'alimentation capacitive est déconnectée du secteur. Sa valeur est choisie entre 470k et 1MOhm. On propose un modèle 1W non pas pour la puissance à dissiper mais pour supporter la tension secteur (risque de claquage à l'intérieur). On peut aussi mettre en série 2 résistances 1/4W ou CMS de taille 1206 prévus pour 200V.
Attention : si R2 n'est pas montée, on peut prendre une bonne pichenette en touchant la fiche secteur de l'alimentation débranchée ! En effet, rien ne permet à C1 de se décharger... sauf si on touche la fiche secteur.
Court-circuit en sortie de l'alimentation capacitive
Aucun danger en cas de court-circuit de la sortie de l'alimentation capacitive. L'impédance de C1 limite le courant à la valeur maximale calculée ci dessus. Ces alimentations rudimentaires sont naturellement protégées contre les courts-circuits.
Alimentation capacitive à pont de diodes
Pour utiliser les 2 alternances du secteur et augmenter de 40% le courant de sortie et réduire de 50% l'ondulation avec la même capacité, on peut réaliser l'alimentation capacitive à pont de diodes :
Alimentation capacitive à pont de diodes
La capacité C2 est rechargée toutes les 10ms au lieu de toutes les 20ms. Pour une même ondulation, une valeur réduite de moitié suffit (220uF au lieu de 470uF).
Cependant, la tension de sortie n'est pas référencée au neutre ou à la phase, comme c'est le cas lorsqu'il n'y a qu'une diode.
Pour allumer 20 LED en série (ampoule 1W à LED du commerce), voir l'article :
http://www.astuces-pratiques.fr/electronique/ampoule-a-led-montage-a-capa-chutrice
Lorsqu'on branche l'alimentation capacitive à pont de diodes, l'appel de courant va charger C2 et non traverser brutalement DZ1.
Alimentation capacitive et stabilisée
Une alimentation stabilisée peut être obtenue en plaçant un régulateur de tension en sortie de l'alimentation capacitive. Rien n'empêche cette utilisation.
Note : un convertisseur spécialisé est le MAX610 (convertisseur 220VAC vers 5VDC).
Alimentation capacitive symétrique
Une alimentation symétrique s'obtient en mettant en série deux zener identiques. Le courant de sortie est identique et ne dépend que de la capa chutrice C1.
Alimentation capacitive symétrique +/-15V 14mA
Avantages et inconvénients de l'alimentation capacitive
Avantages de l'alimentation capacitive
- Réellement plus petite qu'une alimentation à transfo classique
- Beaucoup plus économique qu'une alimentation à transfo
- Pas de dissipation de chaleur dans la capa chutrice C1
- Aucun danger en cas de court-circuit de la sortie
- Tension de sortie référencée au neutre ou à la phase : possibilité de commander un triac.
- +40% de courant et -50% d'ondulation avec pont de diodes
Inconvénients de l'alimentation capacitive
- Pas d'isolation électrique entre secteur et sortie
- courant de sortie limité à 50mA environ
- Tension de sortie NON référencée au neutre ou à la phase pour l'alimentation capacitive à pont de diodes
Conclusion sur l'alimentation capacitive
Les alimentations sans transfo sont très bon marché et moins encombrantes que leurs homologues à transfo ou à découpage. L'absence d'isolation électrique limite leurs usages et les manipulations doivent se faire avec grande prudence.
ATTENTION : Un risque de choc électrique existe lors de manipulations d'alimentation résistive ou capacitive. La sortie basse tension N'EST PAS ISOLEE du secteur ! L'utilisateur doit donc être très prudent et conscient des risques de surtensions transitoires éventuelles sur son réseau. Un transfo d'isolement peut être utilisé lors des expérimentations.
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