Comment obtenir une tension de quelques Volts et quelques mA sans transfo et sans budget ? On peut utiliser une alimentation résistive. La mise en pratique, simple et ultra économique est expliquée dans cet article. L'alimentation résistive est comparable à l'alimentation capacitive.
Ici en est présentée l'alimentation résistive sans transfo.
Alimentation résistive sans transfo 5V / 10mA (schéma classique)
La phase et le neutre peuvent être intervertis !
Version améliorée de l'alimentation résistive : 50% d'économie
En pratique, on peut réduire de 50% la dissipation de chaleur dans R1 avec le schéma suivant :
Alimentation résistive sans transfo 5V / 10mA (schéma amélioré)
En effet, dans ce cas, R1 n'est traversée par du courant que lors des alternances positives du secteur. On privilégiera donc ce schéma !
Courant de sortie maximal délivré par l'alimentation résistive
Pour les 2 versions ci dessus, le courant maximal Imax est limité par la valeur de la résistance chutrice R1. On le calcule ainsi :
VRMS : tension efficace du réseau (230V en France...)
Vz : tension Zener
R1 : valeur en Ohms
Une alimentation résistive a souvent pour but de fournir une tension petite devant la tension réseau (5V, 12V, etc). On peut ainsi négliger Vz devant VRMS. D'où la relation simplifiée pour l'alimentation résistive :
Le courant de sortie maximal est inversement proportionnel à R1. On peut prendre une marge et diminuer encore un peu R1. Attention à la puissance dissipée (voir plus bas).
Mise en pratique d'une alimentation résistive 5V / 10mA (230V, 50Hz, 200nF)
Les résultats sont très comparables à l'alimentation capacitive.
Charge : 10kOhms
Le comportement de l'alimentation résistive est très proche de l'alimentation capacitive. On observe ci dessous comment réagit une alimentation résistive avec différentes charges. Une résistance de charge est connectée à la sortie de l'alimentation résistive (entre +5V et 0V). La charge de 10kOhms consomme 0.45mA environ. La tension de sortie se stabilise correctement autour de 4.5V.
Démarrage de l'alimentation résistive avec 15 kOhms
Charge : 500 Ohms
Si on augmente le courant de sortie, le comportement de l'alimentation résistive change. La charge est cette fois-ci de 500 Ohms (9mA à 4.5V). L'alimentation résistive 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 4.2V. L'ondulation est plus prononcée à cause du courant de sortie plus élevé.
Démarrage de l'alimentation résistive 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 (3V environ).
Caractéristique tension - courant de l'alimentation résistive
On obtient ainsi cette allure de caractéristique, comme pour l'alimentation capacitive :
Caractéristique tension - courant de l'alimentation résistive
La tension est assez stable jusqu'à ce que le courant maximal soit atteint. Cette tension ne vaut pas Vz-0.7V mais Vz pour la version améliorée. Pour les plus forts courants, l'alimentation résistive fonctionne en "source" de courant, c'est-à-dire en limiteur de courant.
Puissance dissipée et dimensionnement de l'alimentation résistive
La dissipation de puissance (chaleur) est importante dans la conception d'une alimentation résistive. On peut choisir les composants avec une puissance nominale au moins égale au double de la puissance dissipée dans le pire cas. Pour les tensions et courants alternatifs, on utilise les valeurs efficaces.
Choix de R1
Puissance dissipée par R1 = R1 x Imax² (dans la version améliorée)
Pour 230V, on a par exemple :
10mA : 16kOhms, 1.6W
20mA : 8kOhms, 3.2W
...
50mA : 3.2kOhms, 8W
Une dissipation de 8W semble déjà importante. L'alimentation résistive ne sera pas utilisée au delà de 50mA si possible.
Exemple de résistance de puissance 5W
Pour R1, on peut utiliser deux résistances identiques en série, ce qui répartit les puissances et les tensions entre elles(risque d'arc électrique réduit).
Choix de DZ1
Comme pour l'alimentation capacitive, la tension zener fixe la tension de sortie. En effet, la tension de sortie vaut Vz - 0.7V (chute de tension dans D1 pour le schéma classique) ou Vz (version améliorée).
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 de 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 et du temps de démarrage souhaité (charge initiale de C2).
Court-circuit en sortie de l'alimentation résistive
Aucun danger en cas de court-circuit de la sortie de l'alimentation résistive. R1 limite le courant à la valeur maximale calculée ci dessus. Une alimentation résistive est donc naturellement protégée contre les courts-circuits.
Alimentation résistive à pont de diodes
Pour utiliser les 2 alternances du secteur et augmenter de 40% le courant de sortie avec la même résistance (et la même dissipation), on peut réaliser l'alimentation ainsi :
Alimentation résistive 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.
Alimentation résistive et stabilisée
Une alimentation stabilisée peut être obtenue en plaçant un régulateur de tension en sortie de l'alimentation résistive. Rien n'empêche cette utilisation.
Alimentation résistive symétrique
Une alimentation symétrique s'obtient en mettant en série deux zener identiques. Le courant de sortie possible est identique et ne dépend que de R1.
Alimentation résistive symétrique +/-15V 14mA
Avantages et inconvénients de l'alimentation résistive
Avantages de l'alimentation résisitive
- Réellement plus petite qu'une alimentation à transfo classique
- Beaucoup plus économique qu'une alimentation à transfo
- Encore plus économique qu'une alimentation capacitive
- 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.
- Pas d'appel de courant lors du branchement de l'alimentation au secteur, contrairement à l'alimentation capacitive
- +40% de courant et -50% d'ondulation avec pont de diodes
Inconvénients de l'alimentation résistive
- Pas d'isolation électrique entre secteur et sortie
- courant de sortie limité à 50mA environ
- Dissipation dans la résistance chutrice (contrairement à la capa chutrice)
- Mauvais rendement énergétique
- Tension de sortie NON référencée au neutre ou à la phase pour l'alimentation résistive à pont de diodes
Conclusion sur l'alimentation résistive
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.
Ici en est présentée l'alimentation résistive sans transfo.
Alimentation résistive sans transfo 5V / 10mA (schéma classique)
La phase et le neutre peuvent être intervertis !
Version améliorée de l'alimentation résistive : 50% d'économie
En pratique, on peut réduire de 50% la dissipation de chaleur dans R1 avec le schéma suivant :
Alimentation résistive sans transfo 5V / 10mA (schéma amélioré)
En effet, dans ce cas, R1 n'est traversée par du courant que lors des alternances positives du secteur. On privilégiera donc ce schéma !
Courant de sortie maximal délivré par l'alimentation résistive
Pour les 2 versions ci dessus, le courant maximal Imax est limité par la valeur de la résistance chutrice R1. On le calcule ainsi :
VRMS : tension efficace du réseau (230V en France...)
Vz : tension Zener
R1 : valeur en Ohms
Une alimentation résistive a souvent pour but de fournir une tension petite devant la tension réseau (5V, 12V, etc). On peut ainsi négliger Vz devant VRMS. D'où la relation simplifiée pour l'alimentation résistive :
Le courant de sortie maximal est inversement proportionnel à R1. On peut prendre une marge et diminuer encore un peu R1. Attention à la puissance dissipée (voir plus bas).
Mise en pratique d'une alimentation résistive 5V / 10mA (230V, 50Hz, 200nF)
Les résultats sont très comparables à l'alimentation capacitive.
Charge : 10kOhms
Le comportement de l'alimentation résistive est très proche de l'alimentation capacitive. On observe ci dessous comment réagit une alimentation résistive avec différentes charges. Une résistance de charge est connectée à la sortie de l'alimentation résistive (entre +5V et 0V). La charge de 10kOhms consomme 0.45mA environ. La tension de sortie se stabilise correctement autour de 4.5V.
Démarrage de l'alimentation résistive avec 15 kOhms
Charge : 500 Ohms
Si on augmente le courant de sortie, le comportement de l'alimentation résistive change. La charge est cette fois-ci de 500 Ohms (9mA à 4.5V). L'alimentation résistive 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 4.2V. L'ondulation est plus prononcée à cause du courant de sortie plus élevé.
Démarrage de l'alimentation résistive 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 (3V environ).
Caractéristique tension - courant de l'alimentation résistive
On obtient ainsi cette allure de caractéristique, comme pour l'alimentation capacitive :
Caractéristique tension - courant de l'alimentation résistive
La tension est assez stable jusqu'à ce que le courant maximal soit atteint. Cette tension ne vaut pas Vz-0.7V mais Vz pour la version améliorée. Pour les plus forts courants, l'alimentation résistive fonctionne en "source" de courant, c'est-à-dire en limiteur de courant.
Puissance dissipée et dimensionnement de l'alimentation résistive
La dissipation de puissance (chaleur) est importante dans la conception d'une alimentation résistive. On peut choisir les composants avec une puissance nominale au moins égale au double de la puissance dissipée dans le pire cas. Pour les tensions et courants alternatifs, on utilise les valeurs efficaces.
Choix de R1
Puissance dissipée par R1 = R1 x Imax² (dans la version améliorée)
Pour 230V, on a par exemple :
10mA : 16kOhms, 1.6W
20mA : 8kOhms, 3.2W
...
50mA : 3.2kOhms, 8W
Une dissipation de 8W semble déjà importante. L'alimentation résistive ne sera pas utilisée au delà de 50mA si possible.
Exemple de résistance de puissance 5W
Pour R1, on peut utiliser deux résistances identiques en série, ce qui répartit les puissances et les tensions entre elles(risque d'arc électrique réduit).
Choix de DZ1
Comme pour l'alimentation capacitive, la tension zener fixe la tension de sortie. En effet, la tension de sortie vaut Vz - 0.7V (chute de tension dans D1 pour le schéma classique) ou Vz (version améliorée).
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 de 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 et du temps de démarrage souhaité (charge initiale de C2).
Court-circuit en sortie de l'alimentation résistive
Aucun danger en cas de court-circuit de la sortie de l'alimentation résistive. R1 limite le courant à la valeur maximale calculée ci dessus. Une alimentation résistive est donc naturellement protégée contre les courts-circuits.
Alimentation résistive à pont de diodes
Pour utiliser les 2 alternances du secteur et augmenter de 40% le courant de sortie avec la même résistance (et la même dissipation), on peut réaliser l'alimentation ainsi :
Alimentation résistive 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.
Alimentation résistive et stabilisée
Une alimentation stabilisée peut être obtenue en plaçant un régulateur de tension en sortie de l'alimentation résistive. Rien n'empêche cette utilisation.
Alimentation résistive symétrique
Une alimentation symétrique s'obtient en mettant en série deux zener identiques. Le courant de sortie possible est identique et ne dépend que de R1.
Alimentation résistive symétrique +/-15V 14mA
Avantages et inconvénients de l'alimentation résistive
Avantages de l'alimentation résisitive
- Réellement plus petite qu'une alimentation à transfo classique
- Beaucoup plus économique qu'une alimentation à transfo
- Encore plus économique qu'une alimentation capacitive
- 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.
- Pas d'appel de courant lors du branchement de l'alimentation au secteur, contrairement à l'alimentation capacitive
- +40% de courant et -50% d'ondulation avec pont de diodes
Inconvénients de l'alimentation résistive
- Pas d'isolation électrique entre secteur et sortie
- courant de sortie limité à 50mA environ
- Dissipation dans la résistance chutrice (contrairement à la capa chutrice)
- Mauvais rendement énergétique
- Tension de sortie NON référencée au neutre ou à la phase pour l'alimentation résistive à pont de diodes
Conclusion sur l'alimentation résistive
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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